(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータに設けたシール部に剪断応力がかからないようにして、シール部の破損を未然に防止する。【解決手段】固体高分子電解質の両面に電極を設けて電解質電極構造体２０を構成し、電解質電極構造体２０とセパレータ３０Ｂとを積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置するセパレータ３０Ｂに接触して集電板５２を設け、この集電板５２の積層方向の外側にエンドプレート５０を設けた燃料電池であって、集電板５２の面方向の外周をエンドプレート５０で囲い、集電板５２は、エンドプレート５０の内部を通って面方向の外部に突出する端子５３を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面に電極を設けて電解質電極構造体を構成し、電解質電極構造体とセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置するセパレータに接触して集電部材を設け、この集電部材の積層方向の外側に絶縁部材を設けた燃料電池において、
少なくとも一方の前記集電部材の面方向の外周を絶縁部材で囲い、前記集電部材は、前記絶縁部材の内部を通って面方向の外部に突出する電力取出し部を備えていることを特徴とする燃料電池。  
【請求項２】
前記電力取出し部は、前記絶縁部材とインサート成形されたもの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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、セパレータに設けるシールの破損を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、平板状の電解質電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。電解質電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質が挟まれた三層構造である。セパレータは、電極に接触するように積層され、電極との間に水素などの燃料ガスまたは空気などの酸化剤ガスを流通させるガス流路や、セパレータどうしの間に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されている。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックの両端部に位置するセパレータには、金属製の集電板が接触するように積層され、集電板の積層方向外側は絶縁板で覆われている。また、集電板には、絶縁板から外部に突出する端子が設けられている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。そして、この電気は、集電板に集められて端子を介して外部に取り出される。
【０００４】
集電板および端子の構成としては、たとえば特許文献１に開示されているように、集電板の側部に端子を突出させたものが知られている。図７はそのような構成の一例を示すものであり、矩形状をなす絶縁板１の片面に凹部２を形成し、凹部２に集電板３を嵌合させて概略構成されている。ここで、集電板３の側部には、側方へ突出する端子４が形成され、絶縁板１には、端子４が嵌合する溝５が形成されている。凹部２の深さは集電板３の厚さよりも深いため、絶縁板１と端子４との間に段差が生じる。このため、端子４の上にブロック６が取り付けられ、ブロック６の表面と絶縁板１の表面とが面一となるようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２７３６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、絶縁板１やブロック６をいかに高精度で加工しても、ブロック６の表面と絶縁板１の表面との間には多少なりとも段差が生じることは避けることができない。一方、集電板３には、セパレータが隣接し、セパレータに設けられたシール部７がブロック６の表面と絶縁板１の表面との間の段差を横断する。このため、燃料電池スタックを組み立てたときにシール部７に剪断応力が作用し、シール部７が破損するおそれがあった。なお、端子を集電板の面に突設し、端子を絶縁板に貫通させて突出させる構成も知られている。そのような構成ではシール部に剪断応力が作用することはないが、燃料電池スタックの積層方向の寸法が増加するという欠点がある。したがって、本発明は、セパレータに設けたシール部に剪断応力がかからないようにして、シール部の破損を未然に防止することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質の両面に電極を設けて電解質電極構造体を構成し、電解質電極構造体とセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置するセパレータに接触して集電部材を設け、この集電部材の積層方向の外側に絶縁部材を設けた燃料電池において、少なくとも一方の前記集電部材の面方向の外周を絶縁部材で囲い、前記集電部材は、前記絶縁部材の内部を通って面方向の外部に突出する電力取出し部を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、集電部材が絶縁部材の内部を通って面方向の外部に突出する電力取出し部を備えているから、集電部材と隣接するセパレータのシール部は、段差のない絶縁部材の表面と接触する。したがって、燃料電池スタックを組み立てた際にシール部に剪断応力が作用することがなく、シール部の破損を未然に防止することができる。
【０００９】
ここで、集電部材と電力取出し部を一体成形してもよく、また、両者を別々に成形して溶接やろう付け、ねじ止めなどの公知の手段で結合するか、あるいは単に接触させるだけにすることができる。また、電力取出し部を絶縁部材の内部に通して面方向の外部に突出させる手段としては、絶縁部材の外周に面方向に貫通する孔を設け、孔に電力取出し部を挿通することができる。あるいは、電力取出し部の一部をモールド中に配置して絶縁部材を射出成形するインサート成形を用いると製造が簡単である。この場合において、ソケットなどの外部接続部も同時に成形すれば、絶縁および防水を考慮した電気接続を簡単に行うことができる。なお、集電部材と電力取出し部とを予め一体化しておく場合には、絶縁部材を集電部材および電力取出し部とインサート成形することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、集電部材が絶縁部材の内部を通って面方向の外部に突出する電力取出し部を備えているから、燃料電池スタックを組み立てた際にシール部に剪断応力が作用することがなく、シール部の破損を未然に防止することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池の全体を示す側面図である。
【図２】実施形態の燃料電池の一部を示す平面図であって、エンドプレート、カソード側セパレータ、電解質電極構造体、およびアノード側セパレータを並べて示したものである。
【図３】実施形態の燃料電池における集電機構を示す断面図である。
【図４】実施形態の燃料電池における集電機構を示す図であって、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は要部を拡大した平面図である。
【図５】実施形態の燃料電池における集電機構の変形例を示す断面図である。
【図６】実施形態の燃料電池における集電機構の他の変形例を示す図であって、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は要部を拡大した斜視図、（Ｃ）は要部を拡大した断面図である。
【図７】従来の燃料電池における集電機構を示す図であって、（Ａ）はその組立斜視図、（Ｂ）は斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
１．燃料電池の全体構成
以下、この発明の実施形態の燃料電池を図１〜図４を参照して説明する。まず、実施形態の燃料電池の全体構成について説明し、次いで本実施形態の特徴である集電機構について説明する。図１は燃料電池スタックＳの全体側面図であり、燃料電池スタックＳは、平面視で長方形状の単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート（絶縁部材）５０，６０を配置し、エンドプレート５０，６０を図示しないタイロッドによって締結して構成されている。エンドプレート５０，６０は、タイロッドによる締結力に耐えるように、ＰＰＳやＰＰＥなどの高強度エンジニアリングプラスチックで構成されている。この実施例の燃料電池スタックＳは、縦方向を鉛直方向（重力方向）に向けて設置される。なお、図１において符号６１はエンドプレート６０に接続された配管であり、配管６１を通じて酸化剤ガス、燃料ガスが各単位セル１０に供給されるとともに、冷却水が各単位セル１０どうしの間の冷媒流路に循環させられる。
【００１３】
図２はエンドプレート５０とこれに隣接する単位セルの構成要素を並べて記載したものである。単位セル１０は、電解質電極構造体２０の両側にアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂを密着して配置した積層構造をなす。なお、カソード側セパレータ３０Ｂは、その裏面をエンドプレート５０側に向けており、説明のために表面の構成をその下に記載した。
【００１４】
電解質電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質（電解質）２１の両側にアノード電極（図示せず）とカソード電極２３を積層して構成され、電解質電極構造体２０のアノード電極に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂはステンレス鋼製薄板をプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層した燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接し、両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの間に冷却水の流路が形成されている。
【００１５】
図２に示すように、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が形成され、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガスが流通するアノードオフガス排出口１２が形成されている。同様に、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が形成され、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガスが流通するカソードオフガス排出口１４が形成されている。さらに、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの上端部には、使役前の冷却水（冷媒）が流通する冷却水供給口１５が形成され、対称位置である下端部には、使役後の冷却水が流通する冷却水排出口１６が形成されている。なお、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５および冷却水排出口１６は、電解質電極構造体２０にも形成されている。
【００１６】
これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５および冷却水排出口１６は、単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、シール部４３，４４を介して各供給口１１，１３，１５毎、各排出口１２，１４，１６毎に連通して、分配流路もしくは集合流路として機能し、図１に示すエンドプレート５０と反対側のエンドプレート６０に設けられた燃料ガス供給口、アノードオフガス排出口、酸化剤ガス供給口、カソードオフガス排出口、冷却水供給口、冷却水排出口に連通し、エンドプレート５０，６０によって両端を閉塞されている。
【００１７】
アノード側セパレータ３０Ａの中央部には、電解質電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａが長手方向に向けて多数形成され、幅方向に等間隔に平行に配置されている。そして、突条３１Ａと電解質電極構造体２０との間の空間が燃料ガスが流通する流路とされている。
【００１８】
アノード側セパレータ３０Ａにおいて電解質電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１とアノードオフガス排出口１２と突条３１Ａの外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。
【００１９】
カソード側セパレータ３０Ｂにも突条３１Ａと同等の突条３１Ｂが形成されている。カソード側セパレータ３０Ｂのシール部４３は、酸化剤ガス供給口１３とカソードオフガス排出口１４と突条３１Ｂの外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。
【００２０】
また、図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて電解質電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、およびカソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞するとともに、突条３１Ｂの裏面の外側を一周して囲繞している。
【００２１】
２．集電機構
次に、図２〜図４を参照して集電機構を説明する。なお、以下においてはエンドプレート５０の集電機構について説明するが、エンドプレート６０にも同等の構成の集電機構が設けられている。図３に示すように、エンドプレート５０の中央部には略矩形状の凹部５１が形成されている。凹部５１には集電板（集電部材）５２が嵌合されている。
【００２２】
集電板５２はカソード電極２３（アノード電極）とほぼ同形同大の矩形状をなすとともに、カソード電極２３と平面視でオーバーラップするように配置され、カソード側セパレータ３０Ｂの多数の突条３１Ｂの裏側の稜線部のほぼ全体に接触する。これにより、集電板５２の集電効率が高められている。また、突条３１Ｂの裏側は、シール部４４によって気密かつ液密に封止されており、外部から水や埃などの異物が浸入しないようになっている。
【００２３】
図３に示すように、集電板５２はエンドプレート５０の片面から突出している。集電板５２の突条３１Ｂと反対側の面には、端子（電力取出し部）５３が接触している。エンドプレート５０は、樹脂のインサート成形により端子５３とともに成形されて一体化され、端子５３はエンドプレート５０の壁部に埋め込まれている。端子５３は、エンドプレート５０の側面と直交して配置され、その一端部はエンドプレート５０の側面から突出し、他端部はエンドプレート５０の凹部５１に露出している。その露出した端子５３の他端部は、凹部５１の底面から僅かに突出させられており、集電板５２との接触を確実にしている。
【００２４】
図４に示すように、端子５２のエンドプレート５０の側面から突出した部分のほぼ半分はインサート成形により樹脂で被覆されている。そして、それよりも先端側の露出した部分にはプラグなどを締結するための孔５４が形成されている。
【００２５】
単位セル１０を積層して燃料電池スタックＳを組み立てた状態において、エンドプレート５０および集電板５２は、カソード側セパレータ３０Ｂの裏面と対向し、エンドプレート５０は、集電板５２の面方向の外側でシール部４４と密着する。この場合において、シール部４４は、図４に示すように、エンドプレート５０の片面に密着して端子５３の上方を横切るように配置される。以上の構成はエンドプレート６０も備えており、エンドプレート５０，６０の端子５３から直流電流が出力される。
【００２６】
３．実施形態の動作
上記のように構成された燃料電池スタックＳおよび単位セル１０では、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。ここで、各単位セルで生成された電流は、エンドプレート５０と接触しているカソード側セパレータ３０Ｂとエンドプレート６０に接触しているアノード側セパレータ６０に集められ、その電流は集電板５２に集められて端子５３を経て直流電流として外部に取り出される。
【００２７】
上記構成の燃料電池では、端子５３がエンドプレート５０の壁部に埋め込まれ、シール部４４がエンドプレート５０の片面に密着して端子５３の上方を横切るように配置されるから、燃料電池スタックＳを組み立てた際にシール部４４に剪断応力が作用することがなく、シール部４４の破損を未然に防止することができる。
【００２８】
特に、上記実施形態では、端子５３を樹脂のインサート成形によりエンドプレート５０と一体化しているので製造が簡単である。また、上記実施形態では、端子５２のエンドプレート５０の側面から突出した部分のほぼ半分がインサート成形により樹脂で被覆されているので、端子５３の絶縁を簡単かつ確実に行うことができる。加えて、端子５３を単位セル１０の面に沿った方向へ突出させているので、燃料電池スタックＳの積層方向の寸法が増加しないという利点もある。さらに、上記実施形態では、端子５３を集電板５２と別に形成しているので、端子５３および集電板５２を例えばプレス成形などで板金加工する場合と比較してスクラップが少なく材料費を低減することができる。
【００２９】
４．変形例
図５は、上記実施形態の変形例を示す図である。図５（Ａ）に示す変形例では、集電板５２と端子５３とを溶接により接合する。溶接方法としてはアーク溶接、ガス溶接、レーザ溶接、回転子５５を用いた摩擦撹拌溶接などの方法があり、集電板５２と端子５３とを重ね合わせて隅部を溶接することができる。なお、集電板５２と端子５３とを接合する手段としてろう付けも適用可能である。
【００３０】
予め集電板５２と端子５３とを溶接しておく場合には、エンドプレート５０を集電板５２および端子５３とともにインサート成形する。あるいは、エンドプレート５０を端子５３とともにインサート成形し、集電板５２と端子５３とを溶接することもできる。この場合には、エンドプレート５０の符号５６で示す部分に切欠を設けて溶接棒などを挿入するようにすることができる。
【００３１】
図５（Ｂ）に示す変形例では、集電板５２と端子５３とをねじ５６で固定している。このような変形例では、エンドプレート５０は、端子５３または集電板５２および端子５３とともにインサート成形される。図５（Ｃ）に示す変形例では、集電板５２に端子部５２ａが一体成形されている。このような集電板５２は、金属材料を切削加工することで製造することができる。この変形例では、集電板と端子の接触抵抗がなく、電力効率が良いという利点がある。なお、粉末冶金法によって上記のような集電板５２を製造することもできる。
【００３２】
図５（Ｄ）に示す変形例では、カソード側セパレータ３０Ｂの全周の縁部に樹脂５７をインサート成形し、樹脂５７の両面にシール部５７ａを形成している。なお、アノード側セパレータ３０Ａにも同等の構成が適用される。図５（Ｅ）に示す変形例では、集電板５２の片面がエンドプレート５０の片面よりも一段下がっている。さらに、図５（Ｆ）に示す変形例では、集電板５２の片面とエンドプレート５０の片面とが面一となっている。このように、本発明は、集電板５２とエンドプレート５０のあらゆる態様にも適用可能である。
【００３３】
図６に示す変形例では、エンドプレート５０にソケット７０を一体成形している。ソケット７０は有底円筒状をなし、ソケット７０の底部から伸びる直線部７１によってエンドプレート５０と接続されている。直線部７１、ソケット７０、およびエンドプレート５０は、端子５３とともにインサート成形されたものである。端子５３の一端部はソケット７０の底に露出し、他端部は集電板５２と接触している。
【００３４】
ソケット７０の内周面には螺子が形成され、図６（Ｃ）に示すように、ソケット７０にはプラグ７２がねじ込まれている。プラグ７２の端面にはコネクタ７３が螺子７４によって取り付けられている。このような変形例では、プラグ７２がエンドプレート５０と一体成形されているので、絶縁および防水を考慮した電気配線を簡単に行うことができる、
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明では、燃料電池スタックを組み立てた際にシール部に剪断応力が作用することがなく、シール部の破損を未然に防止することができるので、厳しい信頼性が要求される例えば燃料電池車に適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  単位セル（単位燃料電池）
２０  電解質電極構造体
２１  固体高分子電解質（電解質）
２２  アノード電極
２３  カソード電極
３０Ａ  アノード側セパレータ（セパレータ）
３０Ｂ  カソード側セパレータ（セパレータ）
５０，６０  エンドプレート（絶縁部材）
５２  集電板（集電部材）
５３  端子（電力取出し部）
【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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