JP5254771B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell including a unit cell that sandwiches an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte with a separator.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) (MEA) is provided with a unit cell sandwiched between separators.

その際、単位セルでは、電解質膜・電極構造体とセパレータとを一体化する場合、前記電解質膜・電極接合体と前記セパレータとを互いに正確に位置決めする必要がある。電解質膜・電極構造体がセパレータの所定の位置からずれると、接触抵抗が増加して発電性能が低下したり、反応ガスのシール性が低下したしするおそれがあるからである。   In this case, in the unit cell, when the electrolyte membrane / electrode structure and the separator are integrated, it is necessary to accurately position the electrolyte membrane / electrode assembly and the separator with respect to each other. This is because if the electrolyte membrane / electrode structure deviates from a predetermined position of the separator, the contact resistance may increase and the power generation performance may be degraded, or the reactive gas sealing performance may be degraded.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、図１２に示すように、ＭＥＡ１をセパレータ２、３で挟持するとともに、保持装置４を備えた単電池体５が複数積層されている。保持装置４は、６角穴つきの頭部６ａと溝６ｂとが形成された円柱体６と、前記溝６ｂに装着される止め輪７とにより構成されている。セパレータ２、３には、各円柱体６を挿入するための段付き孔部８ａ、８ｂが複数個所に形成されている。   Therefore, for example, in the solid polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1, the MEA 1 is sandwiched between the separators 2 and 3 as shown in FIG. Multiple layers are stacked. The holding device 4 includes a cylindrical body 6 in which a hexagonal head 6a and a groove 6b are formed, and a retaining ring 7 attached to the groove 6b. In the separators 2 and 3, stepped holes 8 a and 8 b for inserting the respective cylindrical bodies 6 are formed at a plurality of locations.

特開平８−３７０１２号公報JP-A-8-37012

しかしながら、上記の特許文献１では、各単電池体５毎に複数本の円柱体６を段付き孔部８ａ、８ｂに挿入するとともに、前記円柱体６の溝６ｂに止め輪７を装着する作業が必要である。このため、特に多数の単電池体５を積層する際には、上記の作業が相当に煩雑化し、作業性が著しく低下するという問題がある。しかも、多数の円柱体６及び止め輪７を用意しなければならず、製造コストが高騰するという問題がある。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, a plurality of cylindrical bodies 6 are inserted into the stepped holes 8a and 8b for each single battery body 5 and the retaining ring 7 is attached to the groove 6b of the cylindrical body 6 is necessary. For this reason, when laminating | stacking many cell bodies 5 especially, there exists a problem that said operation | work becomes quite complicated and workability | operativity falls remarkably. In addition, a large number of cylindrical bodies 6 and retaining rings 7 must be prepared, resulting in a problem that the manufacturing cost increases.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、単位セルを高精度且つ容易に組み付けることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell in which unit cells can be assembled with high accuracy and easily with a simple and economical configuration.

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell including a unit cell that sandwiches an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte with a separator.

単位セルを構成する１つのセパレータには、セパレータ面に位置決めピン部材が一体に設けられるとともに、前記単位セルを構成する他のセパレータには、セパレータ積層方向に沿って前記位置決めピン部材に対応する位置に、該位置決めピン部材を挿入するための位置決め孔部が設けられている。   One separator constituting the unit cell is integrally provided with a positioning pin member on the separator surface, and the other separator constituting the unit cell has a position corresponding to the positioning pin member along the separator stacking direction. In addition, a positioning hole for inserting the positioning pin member is provided.

また、位置決めピン部材は、位置決め孔部を貫通して他のセパレータに係止される係止部を有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that a positioning pin member has a latching | locking part which penetrates a positioning hole and is latched by another separator.

さらに、燃料電池は、複数の単位セルが積層されるとともに、互いに隣接する前記単位セルは、一方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材と、他方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材とが、積層方向に互いに位置をずらして配置されることが好ましい。   Further, the fuel cell includes a plurality of unit cells stacked, and the unit cells adjacent to each other include a positioning pin member provided in one unit cell and a positioning pin member provided in the other unit cell. It is preferable that the positions are shifted from each other in the stacking direction.

さらにまた、一方の単位セルには、他方の単位セルに設けられる位置決めピン部材に積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されるとともに、他方の単位セルには、一方の前記単位セルに設けられる位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されることが好ましい。   Furthermore, one unit cell is formed with a relief hole at a position corresponding to the positioning pin member provided in the other unit cell along the stacking direction, and the other unit cell has one It is preferable that a relief hole is formed at a position corresponding to the positioning pin member provided in the unit cell along the stacking direction.

また、位置決めピン部材は、弾性変形可能な樹脂材料で形成されることが好ましい。   The positioning pin member is preferably formed of a resin material that can be elastically deformed.

本発明によれば、１つのセパレータに一体に設けられた位置決めピン部材が、他のセパレータに設けられた位置決め孔部に挿入されるだけで、単位セルを位置決め保持することができる。従って、単位セルの組み付け作業が簡素化され、特に多数の前記単位セルを積層する際に、組み付け作業性が一挙に向上する。しかも、部品点数が大幅に削減されるため、製造コストを良好に削減することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、単位セルを高精度且つ容易に組み付けることができる。   According to the present invention, the unit cell can be positioned and held only by inserting the positioning pin member integrally provided in one separator into the positioning hole provided in the other separator. Therefore, the assembling work of the unit cells is simplified, and the assembling workability is improved at a time when stacking a large number of the unit cells. In addition, since the number of parts is greatly reduced, the manufacturing cost can be reduced favorably. Thereby, the unit cell can be assembled with high accuracy and easily with a simple and economical configuration.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell 10 taken along line II-II in FIG.

燃料電池１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたスタックを構成する。各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持するカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８とを備える。カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータで構成してもよい。   The fuel cell 10 constitutes a stack in which a plurality of unit cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). Each unit cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14, and a cathode side separator 16 and an anode side separator 18 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. The cathode side separator 16 and the anode side separator 18 are made of metal separators, but may be made of carbon separators, for example.

単位セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが設けられる。   One end edge of the unit cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A to supply an oxidant gas supply communication hole 20a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, and a cooling medium. A cooling medium supply communication hole 22a and a fuel gas discharge communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが設けられる。   The other end edge of the unit cell 12 in the direction of the arrow B communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 24a for supplying the fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 22b and an oxidant gas discharge communication hole 20b for discharging the oxidant gas are provided.

図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに連通する。カソード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂと連通する。   As shown in FIGS. 1 and 2, for example, an oxidant gas flow path 26 extending in the direction of arrow B is provided on the surface 16 a of the cathode separator 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 14 side. The oxidant gas flow channel 26 communicates with the oxidant gas supply communication hole 20a and the oxidant gas discharge communication hole 20b. A cooling medium flow path 28 is formed on the surface 16 b opposite to the surface 16 a of the cathode separator 16. The cooling medium flow path 28 communicates with the cooling medium supply communication hole 22a and the cooling medium discharge communication hole 22b.

アノード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路３０が形成される。燃料ガス流路３０は、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂと連通する。アノード側セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される。   On the surface 18a of the anode separator 18 on the electrolyte membrane / electrode structure 14 side, there is a fuel gas passage 30 that communicates with the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b and extends in the direction of arrow B. It is formed. The fuel gas flow path 30 communicates with the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b. A cooling medium flow path 28 communicating with the cooling medium supply communication hole 22a and the cooling medium discharge communication hole 22b is formed on the surface 18b opposite to the surface 18a of the anode separator 18.

カソード側セパレータ１６は、金属薄板上に第１シール部材３２が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ１８は、金属薄板上に第２シール部材３４が一体に射出成形される。   The cathode-side separator 16 is integrally molded with a first seal member 32 on a thin metal plate, and the anode-side separator 18 is integrally molded with a second seal member 34 on a thin metal plate.

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極３８及びアノード側電極４０とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 38 and an anode side electrode 40 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 36. With.

カソード側電極３８及びアノード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成されている。   The cathode side electrode 38 and the anode side electrode 40 are formed by uniformly coating the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. An electrode catalyst layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36.

単位セル１２を構成する１つのセパレータ、例えば、カソード側セパレータ１６には、セパレータ面に複数の位置決めピン部材４２が一体に設けられる。位置決めピン部材４２は、第１シール部材３２と同一の材料で形成してもよく、耐薬品性に優れる樹脂部材で形成することが好ましい。具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の弾性変形可能な樹脂材料が使用される。   In one separator constituting the unit cell 12, for example, the cathode side separator 16, a plurality of positioning pin members 42 are integrally provided on the separator surface. The positioning pin member 42 may be formed of the same material as the first seal member 32, and is preferably formed of a resin member having excellent chemical resistance. Specifically, an elastically deformable resin material such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), ABS resin, polyphenylene sulfide (PPS), or polyether ether ketone (PEEK) is used.

位置決めピン部材４２は、カソード側セパレータ１６のセパレータ面（面１６ａ）にインジェクション成形、インジェクションプレス成形により一体成形する方式の他、インサート成形、アウトサート成形又はモールド成形等により成形される。また、位置決めピン部材４２は、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、溶接（ＦＭＳ）やねじ締結等により固定してもよい。   The positioning pin member 42 is formed by insert molding, outsert molding, mold molding, or the like in addition to a method of integrally molding the separator side (surface 16a) of the cathode-side separator 16 by injection molding or injection press molding. Further, the positioning pin member 42 may be fixed to the separator surface of the cathode side separator 16 by welding (FMS), screw fastening or the like.

位置決めピン部材４２は、同心円上に配列される４つの弾性片部４４を備える。図２及び図３に示すように、各弾性片部４４は、カソード側セパレータ１６から離間する方向に向かって外方に傾斜する傾斜面（係止部）４４ａを有するとともに、前記弾性片部４４の大径側の開放端部には、内方に屈曲する折り返し部４４ｂが設けられる。   The positioning pin member 42 includes four elastic piece portions 44 arranged concentrically. As shown in FIGS. 2 and 3, each elastic piece 44 has an inclined surface (locking portion) 44 a that is inclined outward in a direction away from the cathode-side separator 16, and the elastic piece 44. At the open end portion on the large diameter side, a folded portion 44b bent inward is provided.

単位セル１２を構成する他のセパレータ、例えば、アノード側セパレータ１８には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って各位置決めピン部材４２に対応する位置に、前記位置決めピン部材４２を挿入するための位置決め孔部４６が設けられる。位置決め孔部４６の開口直径Ｄ１は、位置決めピン部材４２の最大仮想直径Ｄ２よりも小径（Ｄ１＜Ｄ２）に設定される（図３参照）。   In order to insert the positioning pin member 42 into a position corresponding to each positioning pin member 42 along the separator stacking direction (arrow A direction) in another separator constituting the unit cell 12, for example, the anode side separator 18. Positioning hole 46 is provided. The opening diameter D1 of the positioning hole 46 is set to a smaller diameter (D1 <D2) than the maximum virtual diameter D2 of the positioning pin member 42 (see FIG. 3).

電解質膜・電極構造体１４を構成する固体高分子電解質膜３６には、位置決め孔部４６と同一径又は大径な孔部４８が、前記位置決め孔部４６と同軸上に形成される。   In the solid polymer electrolyte membrane 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14, a hole 48 having the same diameter or a larger diameter as the positioning hole 46 is formed coaxially with the positioning hole 46.

このように構成される燃料電池１０を組み付ける作業について、以下に説明する。   The operation of assembling the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体１４を挟んでカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８が配置される。そして、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８を互いに押圧することにより、前記カソード側セパレータ１６に設けられている各位置決めピン部材４２が、固体高分子電解質膜３６に設けられている各孔部４８及び前記アノード側セパレータ１８に設けられている各位置決め孔部４６に挿入される。   First, as shown in FIGS. 1 and 3, the cathode side separator 16 and the anode side separator 18 are disposed with the electrolyte membrane / electrode structure 14 interposed therebetween. Then, by pressing the cathode side separator 16 and the anode side separator 18 together, each positioning pin member 42 provided in the cathode side separator 16 is provided in each hole 48 provided in the solid polymer electrolyte membrane 36. And it inserts in each positioning hole 46 provided in the anode side separator 18.

その際、位置決め孔部４６の開口直径Ｄ１は、位置決めピン部材４２の最大仮想直径Ｄ２よりも小径に設定されている。このため、位置決めピン部材４２を構成する各弾性片部４４は、予め互いに半径内方向に弾性変形させた状態で、位置決め孔部４６内に押し込まれる。   At that time, the opening diameter D1 of the positioning hole 46 is set to be smaller than the maximum virtual diameter D2 of the positioning pin member 42. For this reason, each elastic piece part 44 which comprises the positioning pin member 42 is pushed in in the positioning hole 46 in the state which mutually elastically deformed mutually in the radial inside direction.

次いで、各弾性片部４４への押圧力を解除すると、各弾性片部４４の傾斜面４４ａは、各位置決め孔部４６の内周面に係止される。従って、各位置決めピン部材４２及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル１２が位置決め保持されて組み付けられる（図２参照）。   Next, when the pressing force to each elastic piece portion 44 is released, the inclined surface 44 a of each elastic piece portion 44 is locked to the inner peripheral surface of each positioning hole portion 46. Therefore, the unit cells 12 are positioned and assembled via the positioning pin members 42 and the positioning holes 46 (see FIG. 2).

この場合、第１の実施形態では、カソード側セパレータ１６に一体に設けられた位置決めピン部材４２が、アノード側セパレータ１８に設けられた位置決め孔部４６に挿入されるだけで、単位セル１２を正確に組み付けることができる。このため、単位セル１２の組み付け作業が簡素化され、特に多数の前記単位セル１２を積層して燃料電池１０を組み付ける際に、組み付け作業性が一挙に向上する。   In this case, in the first embodiment, the unit cell 12 can be accurately aligned only by inserting the positioning pin member 42 provided integrally with the cathode separator 16 into the positioning hole 46 provided in the anode separator 18. Can be assembled. For this reason, the assembling work of the unit cells 12 is simplified, and particularly when the fuel cell 10 is assembled by stacking a large number of the unit cells 12, the assembling workability is improved at once.

しかも、燃料電池１０は、部品点数が大幅に削減されるため、製造コストを良好に削減することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、単位セル１２を高精度且つ容易に組み付けることができるという効果が得られる。   In addition, since the number of parts of the fuel cell 10 is greatly reduced, the manufacturing cost can be reduced favorably. Thereby, the effect that the unit cell 12 can be assembled with high accuracy and easily with a simple and economical configuration is obtained.

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 20a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 24a. Further, a coolant such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the coolant supply passage 22a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａからカソード側セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路２６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３８に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas supply communication hole 20a into the oxidant gas flow path 26 provided in the cathode side separator 16. The oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 38 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while moving in the direction of arrow B through the oxidant gas flow path 26.

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａからアノード側セパレータ１８に設けられている燃料ガス流路３０に導入される。燃料ガス流路３０に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極４０に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 30 provided in the anode separator 18 from the fuel gas supply communication hole 24a. The fuel gas introduced into the fuel gas flow path 30 is supplied to the anode side electrode 40 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while moving in the arrow B direction.

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 38 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 40 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, thereby generating power. Is done.

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。一方、アノード側電極４０に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 38 is discharged to the oxidant gas discharge communication hole 20b. On the other hand, the used fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 40 is discharged into the fuel gas discharge communication hole 24b.

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２２ａから冷却媒体流路２８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。   The cooling medium flows along the arrow B direction after being introduced into the cooling medium flow path 28 from the cooling medium supply communication hole 22a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then is discharged into the cooling medium discharge communication hole 22b.

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の分解斜視説明図であり、図５は、前記燃料電池１０の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第３の実施形態以降についても同様に、その詳細な説明は省略する。   4 is an exploded perspective view of a fuel cell 50 according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the fuel cell 10 taken along line VV in FIG. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, the detailed description of the third and subsequent embodiments is also omitted.

燃料電池５０は、第１単位セル１２ａと第２単位セル１２ｂとを交互に積層して構成される。第１単位セル１２ａを構成するカソード側セパレータ１６には、複数の位置決めピン部材４２ａが一体に設けられる。第１単位セル１２ａを構成するアノード側セパレータ１８及び電解質膜・電極構造体１４には、それぞれ複数の位置決め孔部４６ａ及び孔部４８ａが形成される。   The fuel cell 50 is configured by alternately stacking first unit cells 12a and second unit cells 12b. A plurality of positioning pin members 42a are integrally provided on the cathode-side separator 16 constituting the first unit cell 12a. A plurality of positioning holes 46a and holes 48a are formed in the anode separator 18 and the electrolyte membrane / electrode structure 14 constituting the first unit cell 12a, respectively.

第２単位セル１２ｂを構成するカソード側セパレータ１６には、複数の位置決めピン部材４２ｂが一体に設けられる。第２単位セル１２ｂを構成するアノード側セパレータ１８及び電解質膜・電極構造体１４には、それぞれ複数の位置決め孔部４６ｂ及び孔部４８ｂが形成される。   A plurality of positioning pin members 42b are integrally provided on the cathode-side separator 16 constituting the second unit cell 12b. A plurality of positioning holes 46b and holes 48b are formed in the anode separator 18 and the electrolyte membrane / electrode structure 14 constituting the second unit cell 12b, respectively.

第１単位セル１２ａの位置決めピン部材４２ａと、第２単位セル１２ｂの位置決めピン部材４２ｂとは、積層方向（矢印Ａ）に互いに位置をずらして（オフセットして）配置される。   The positioning pin member 42a of the first unit cell 12a and the positioning pin member 42b of the second unit cell 12b are arranged so as to be shifted (offset) from each other in the stacking direction (arrow A).

第１単位セル１２ａを構成するカソード側セパレータ１６には、位置決めピン部材４２ｂに積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部５２ａが形成される。第２単位セル１２ｂを構成するカソード側セパレータ１６には、位置決めピン部材４２ａに積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部５２ｂが形成される。   In the cathode-side separator 16 constituting the first unit cell 12a, a relief hole 52a is formed at a position corresponding to the positioning pin member 42b along the stacking direction. In the cathode-side separator 16 constituting the second unit cell 12b, a relief hole 52b is formed at a position corresponding to the positioning pin member 42a along the stacking direction.

第１単位セル１２ａ及び第２単位セル１２ｂは、これらを一体に位置決めするための複数のガイド孔５４を設ける。このガイド孔５４には、図示しないガイドロッドが一体に挿入されて燃料電池５０全体の位置決め保持を行う。   The first unit cell 12a and the second unit cell 12b are provided with a plurality of guide holes 54 for positioning them integrally. A guide rod (not shown) is integrally inserted into the guide hole 54 to position and hold the entire fuel cell 50.

このように構成される第２の実施形態では、第１単位セル１２ａ及び第２単位セル１２ｂの組み立て作業が簡素化され、燃料電池５０全体の組み付け作業性が一挙に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the assembly work of the first unit cell 12a and the second unit cell 12b is simplified, and the assembly workability of the entire fuel cell 50 is improved at once. The same effect as that of the first embodiment can be obtained.

しかも、第２の実施形態では、第１単位セル１２ａの位置決めピン部材４２ａと、第２単位セル１２ｂの位置決めピン部材４２ｂとは、積層方向に互いに位置をずらして配置されている。これにより、互いに積層される位置決めピン部材４２ａと位置決めピン部材４２ｂとが干渉することがなく、燃料電池５０全体の積層方向の寸法が良好に短尺化されるという利点がある。   Moreover, in the second embodiment, the positioning pin member 42a of the first unit cell 12a and the positioning pin member 42b of the second unit cell 12b are arranged so as to be shifted from each other in the stacking direction. Accordingly, there is an advantage that the positioning pin member 42a and the positioning pin member 42b which are stacked on each other do not interfere with each other, and the size of the entire fuel cell 50 in the stacking direction is favorably shortened.

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池６０の一部断面説明図である。   FIG. 6 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell 60 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池６０は、複数の発電ユニット（単位セル）６２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット６２は、第１セパレータ６４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６６ａ、第２セパレータ６８、第２電解質膜・電極構造体６６ｂ及び第３セパレータ７０を設ける。   The fuel cell 60 is configured by stacking a plurality of power generation units (unit cells) 62 along the horizontal direction (arrow A direction). The power generation unit 62 includes a first separator 64, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 66 a, a second separator 68, a second electrolyte membrane / electrode structure 66 b, and a third separator 70.

第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂは、固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂと、前記固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂを挟持するカソード側電極３８ａ、３８ｂ及びアノード側電極４０ａ、４０ｂとを備える。アノード側電極４０ａ、４０ｂは、カソード側電極３８ａ、３８ｂよりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。   The first and second electrolyte membrane / electrode structures 66a, 66b include solid polymer electrolyte membranes 36a, 36b, cathode side electrodes 38a, 38b and anode side electrodes 40a sandwiching the solid polymer electrolyte membranes 36a, 36b, 40b. The anode side electrodes 40a and 40b constitute a so-called step type MEA having a smaller surface area than the cathode side electrodes 38a and 38b.

第１セパレータ６４の第１電解質膜・電極構造体６６ａ側の面には、第１酸化剤ガス流路２６ａが設けられる。第２セパレータ６８の第１電解質膜・電極構造体６６ａ側の面には、第１燃料ガス流路３０ａが設けられるとともに、前記第２セパレータ６８の第２電解質膜・電極構造体６６ｂ側の面には、第２酸化剤ガス流路２６ｂが設けられる。第３セパレータ７０の第２電解質膜・電極構造体６６ｂ側の面には、第２燃料ガス流路３０ｂが設けられる。   A first oxidant gas flow path 26a is provided on the surface of the first separator 64 on the first electrolyte membrane / electrode structure 66a side. A surface of the second separator 68 on the first electrolyte membrane / electrode structure 66a side is provided with a first fuel gas flow path 30a, and a surface of the second separator 68 on the second electrolyte membrane / electrode structure 66b side. Is provided with a second oxidizing gas channel 26b. A second fuel gas flow path 30b is provided on the surface of the third separator 70 on the second electrolyte membrane / electrode structure 66b side.

第１セパレータ６４には、セパレータ面に複数の位置決めピン部材４２が一体に設けられる。第３セパレータ７０には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って各位置決めピン部材４２に対応する位置に、前記位置決めピン部材４２を挿入するための位置決め孔部４６が設けられる。第２セパレータ６８には、位置決め孔部４６と同軸上に孔部４８が形成される。   The first separator 64 is integrally provided with a plurality of positioning pin members 42 on the separator surface. The third separator 70 is provided with a positioning hole 46 for inserting the positioning pin member 42 at a position corresponding to each positioning pin member 42 along the separator stacking direction (arrow A direction). A hole 48 is formed in the second separator 68 coaxially with the positioning hole 46.

このように構成される第３の実施形態では、第１セパレータ６４に一体に設けられた位置決めピン部材４２が、第３セパレータ７０に設けられた位置決め孔部４６に挿入されるだけで、発電ユニット６２を位置決め保持して組み付けることができる。これにより、第３の実施形態では、燃料電池６０の組み立て作業性が有効に向上するとともに、製造コストを削減することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the power generation unit is obtained by merely inserting the positioning pin member 42 provided integrally with the first separator 64 into the positioning hole 46 provided in the third separator 70. 62 can be assembled by positioning and holding. Thereby, in 3rd Embodiment, while the assembly workability | operativity of the fuel cell 60 improves effectively, it becomes possible to reduce manufacturing cost, etc., and the same effect as said 1st Embodiment is acquired. .

なお、第３の実施形態は、上記の第２の実施形態と同様に構成することも可能である。また、図７に示すように、互いに隣り合う単位セル１２ａ、１２ｂの各位置決めピン部材４２が、互いに向き合い且つ互いにオフセットするように構成してもよい。以下に説明する第４の実施形態以降においても、同様である。   Note that the third embodiment can be configured in the same manner as the second embodiment. Further, as shown in FIG. 7, the positioning pin members 42 of the unit cells 12a and 12b adjacent to each other may be configured to face each other and be offset from each other. The same applies to the fourth and subsequent embodiments described below.

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。   FIG. 8 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell 80 according to the fourth embodiment of the present invention.

燃料電池８０を構成する単位セル８２では、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、複数の位置決めピン部材８４が一体に設けられる。位置決めピン部材８４は、図９に示すように、同心円上に配列される２つの弾性脚部８６を備える。各脚部８６の先端には、互いに対向して径方向外方に膨出する爪状の係止部８８が一体に設けられる。係止部８８の先端面は、中心側から外方に向かって傾斜する球面状ガイド面８８ａを構成する。   In the unit cell 82 constituting the fuel cell 80, a plurality of positioning pin members 84 are integrally provided on the separator surface of the cathode separator 16. As shown in FIG. 9, the positioning pin member 84 includes two elastic legs 86 arranged concentrically. A claw-shaped locking portion 88 that bulges outward in the radial direction is integrally provided at the tip of each leg portion 86. The distal end surface of the locking portion 88 constitutes a spherical guide surface 88a that is inclined outward from the center side.

アノード側セパレータ１８には、爪状の係止部８８よりも小径な位置決め孔部４６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４には、孔部４８が形成される。   The anode separator 18 is provided with a positioning hole 46 having a diameter smaller than that of the claw-shaped locking portion 88, and a hole 48 is formed in the electrolyte membrane / electrode structure 14.

このように構成される第４の実施形態では、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８とが、電解質膜・電極構造体１４を挟んで重ね合わされる際、係止部８８の先端面に設けられている球面状ガイド面８８ａの案内作用下に、前記係止部８８が互いに内方に弾性変形する。そして、各係止部８８は、位置決め孔部４６を貫通した後、互いに外方に拡開する（図８参照）。   In the fourth embodiment configured as described above, the cathode-side separator 16 and the anode-side separator 18 are provided on the front end surface of the locking portion 88 when they are overlapped with the electrolyte membrane / electrode structure 14 interposed therebetween. The engaging portions 88 are elastically deformed inward from each other under the guiding action of the spherical guide surface 88a. And each latching | locking part 88 spreads mutually outward after penetrating the positioning hole part 46 (refer FIG. 8).

従って、係止部８８は、位置決め孔部４６の内周面に係止されるため、各位置決めピン部材８４及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル８２が位置決め保持されて組み付けられる。これにより、第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, since the locking portion 88 is locked to the inner peripheral surface of the positioning hole portion 46, the unit cell 82 is positioned and held and assembled through the positioning pin members 84 and the positioning hole portions 46. Thereby, the fourth embodiment can obtain the same effects as those of the first to third embodiments.

図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池９０の一部断面説明図である。   FIG. 10 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell 90 according to the fifth embodiment of the present invention.

燃料電池９０を構成する単位セル９２では、カソード側セパレータ１６のセパレータ面に、複数の位置決めピン部材（群）９４が一体に設けられる。位置決めピン部材９４は、図１１に示すように、同心円上に配列される４つの弾性支柱部９６を備え、各支柱部９６の先端には、係止球体部（係止部）９８が一体に設けられる。   In the unit cell 92 constituting the fuel cell 90, a plurality of positioning pin members (groups) 94 are integrally provided on the separator surface of the cathode separator 16. As shown in FIG. 11, the positioning pin member 94 includes four elastic struts 96 arranged concentrically. A locking sphere (locking part) 98 is integrally formed at the tip of each strut 96. Provided.

アノード側セパレータ１８には、４つの係止球体部９８を介して形成される仮想円直径よりも小径な位置決め孔部４６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４には、孔部４８が形成される。   The anode side separator 18 is provided with a positioning hole 46 having a diameter smaller than the virtual circle diameter formed through the four locking spheres 98, and the electrolyte membrane / electrode structure 14 has a hole 48. It is formed.

このように構成される第５の実施形態では、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８とが、電解質膜・電極構造体１４を挟んで重ね合わされる際、係止球体部９８が位置決め孔部４６の内周面に当接する。このため、各支柱部９６が互いに内方に弾性変形して位置決め孔部４６を貫通した後、互いに外方に拡開する（図１０参照）。   In the fifth embodiment configured as described above, when the cathode side separator 16 and the anode side separator 18 are overlapped with each other with the electrolyte membrane / electrode structure 14 interposed therebetween, the locking sphere 98 is positioned in the positioning hole 46. It abuts on the inner peripheral surface of. For this reason, after each support | pillar part 96 is elastically deformed mutually inward and penetrates the positioning hole part 46, it mutually expands outward (refer FIG. 10).

従って、係止球体部９８は、位置決め孔部４６の内周面に係止されるため、各位置決めピン部材９４及び各位置決め孔部４６を介して、単位セル９２が位置決め保持されて組み付けられる。これにより、第５の実施形態は、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, since the locking sphere 98 is locked to the inner peripheral surface of the positioning hole 46, the unit cell 92 is positioned and assembled via the positioning pin members 94 and the positioning holes 46. Thereby, the fifth embodiment can obtain the same effects as those of the first to fourth embodiments.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the said fuel cell in FIG. 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the positioning pin member which constitutes the fuel cell. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。FIG. 6 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the fuel cell taken along line VV in FIG. 4. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the fuel cell concerning a 3rd embodiment of the present invention. 隣り合う発電ユニットの各位置決めピン部材が互いに向き合い且つ互いにオフセットした構成の説明図である。It is explanatory drawing of the structure which each positioning pin member of the adjacent electric power generation unit faced mutually and was mutually offset. 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the fuel cell concerning a 4th embodiment of the present invention. 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the positioning pin member which constitutes the fuel cell. 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the fuel cell concerning a 5th embodiment of the present invention. 前記燃料電池を構成する位置決めピン部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the positioning pin member which constitutes the fuel cell. 特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の説明図である。1 is an explanatory diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０、５０、６０、８０、９０…燃料電池
１２、１２ａ、１２ｂ、８２、９２…単位セル
１４、６６ａ、６６ｂ…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６４、７０…セパレータ ２６…酸化剤ガス流路
２８…冷却媒体流路 ３０…燃料ガス流路
３２、３４…シール部材 ３６…固体高分子電解質膜
３８…カソード側電極 ４０…アノード側電極
４２、４２ａ、８４、９４…位置決めピン部材
４４…弾性片部 ４４ａ…傾斜面
４６、４６ａ、４６ｂ…位置決め孔部 ４８、４８ａ、４８ｂ…孔部
６２…発電ユニット ８６…脚部
８８…係止部 ８８ａ…球面状ガイド面
９６…支柱部 ９８…係止球体部 10, 50, 60, 80, 90 ... Fuel cells 12, 12a, 12b, 82, 92 ... Unit cells 14, 66a, 66b ... Electrolyte membrane / electrode structures 16, 18, 64, 70 ... Separator 26 ... Oxidant gas Flow path 28 ... Cooling medium flow path 30 ... Fuel gas flow path 32, 34 ... Seal member 36 ... Solid polymer electrolyte membrane 38 ... Cathode side electrode 40 ... Anode side electrodes 42, 42a, 84, 94 ... Positioning pin member 44 ... Elastic piece 44a ... Inclined surface 46, 46a, 46b ... Positioning hole 48, 48a, 48b ... Hole 62 ... Power generation unit 86 ... Leg 88 ... Locking portion 88a ... Spherical guide surface 96 ... Strut 98 ... Stop ball part

Claims (5)

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを備える燃料電池であって、
前記単位セルを構成する１つの前記セパレータには、セパレータ面に位置決めピン部材が一体に設けられるとともに、
前記単位セルを構成する他の前記セパレータには、セパレータ積層方向に沿って前記位置決めピン部材に対応する位置に、該位置決めピン部材を挿入するための位置決め孔部が設けられることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising a unit cell for sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte with a separator,
In one of the separators constituting the unit cell, a positioning pin member is integrally provided on the separator surface, and
The other separator constituting the unit cell is provided with a positioning hole portion for inserting the positioning pin member at a position corresponding to the positioning pin member along the separator stacking direction. battery. 請求項１記載の燃料電池において、前記位置決めピン部材は、前記位置決め孔部を貫通して他の前記セパレータに係止される係止部を有することを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the positioning pin member has a locking portion that penetrates the positioning hole and is locked to the other separator. 請求項１又は２記載の燃料電池において、複数の前記単位セルが積層されるとともに、
互いに隣接する前記単位セルは、一方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材と、他方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材とが、前記積層方向に互いに位置をずらして配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the unit cells are stacked,
In the unit cells adjacent to each other, the positioning pin member provided in one of the unit cells and the positioning pin member provided in the other unit cell are arranged so as to be displaced from each other in the stacking direction. A fuel cell. 請求項３記載の燃料電池において、一方の前記単位セルには、他方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されるとともに、
他方の前記単位セルには、一方の前記単位セルに設けられる前記位置決めピン部材に前記積層方向に沿って対応する位置に、逃げ用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。 4. The fuel cell according to claim 3, wherein one of the unit cells has a relief hole formed at a position corresponding to the positioning pin member provided in the other unit cell along the stacking direction. ,
In the other unit cell, a escape hole is formed at a position corresponding to the positioning pin member provided in one unit cell along the stacking direction. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記位置決めピン部材は、弾性変形可能な樹脂材料で形成されることを特徴とする燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 1, wherein the positioning pin member is formed of an elastically deformable resin material. 6.
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