(57)【要約】【課題】燃料電池の集電板とセパレータの間の接触電気抵抗を長期にわたって抑制する。【解決手段】燃料電池は、電解質膜１０と、電解質膜１０を両面からはさむ燃料極３８および酸化剤極３９と、燃料極３８に燃料ガスを供給する燃料ガス流通路１２および酸化剤極３９に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流通路１３を備えた導電性のセパレータ１１、１８と、を備えた単位セル３１を複数層積層した積層体１９を有する。燃料電池はさらに、積層体１９の端部のセパレータ１８の外側の面に接して配置されて積層体１９の発電電流を外部へ取り出す集電板３２と、集電板３２の外側に配置されて積層体１９をその積層方向に締め付ける締付板３３と、を有する。集電板３２は、セパレータ１８の積層体１９の外側の面に接する面に凹凸部が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜をその両面からはさむように配置された燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路を備えた導電性で板状のセパレータと、を備えた単位セルを複数層積層した積層体と、
前記積層体の端部に配置されたセパレータの前記積層体の外側の面に接して配置されて、前記セパレータの前記積層体の外側の面に接する面に凹凸部が形成された、前記積層体の発電電流を外部へ取り出す導電性の集電板と、
前記集電板の外側に配置されて前記積層体をその積層方向に締め付ける締付板と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記凹凸部のうちの少なくとも凸部表面に導電性金属メッキが施されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記金属メッキの材質が、スズ、銀、白金、金、ルテニウム、ロジウム、イリジウムのいずれかまたはそれらの組み合わせであること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記集電板の主材質が、銅、鉄、ステンレス鋼、アルミニウムのいずれかであること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記積層体の端部に配置されたセパレータと前記締付板とにはさまれて前記集電板を囲むように配置された周囲シール部を有し、
前記集電板の集電部の大きさが、前記各単位セルの反応部よりも大きくかつ前記周囲シール部内部と同じかまたは小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記集電板の凹凸部は、平坦な面に切削加工を施して複数の直線的溝を形成することによって凹部を形成したものであること、を特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池を用いた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単位セルを積層した積層体と集電板とを有する燃料電池およびそのシステムに関し、特に、集電板とセパレータの間の接触電気抵抗（以下、単に「接触抵抗」と呼ぶ）を長期にわたって抑制できる燃料電池およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。
【０００３】
従来の典型的な固体高分子膜を用いた燃料電池では、複数の単位セル（単電池）を積層した積層体が形成される。各単位セルは、固体高分子膜の両端に触媒を塗布した燃料極（アノード極）および酸化剤極（カソード極）を配し、その両側に燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路板で構成されている。複数の単位セルを積層し、その積層体の両端に集電板と締付板が位置し、スタッドとナットと皿バネで積層体を締め付けている（特許文献１参照）。
【０００４】
この固体高分子形燃料電池積層体は、一般的には一セル毎にセパレータが挿入されて構成される。このセパレータは、セル発電に伴う発熱を除去するための冷却除熱機能、セルを電気的に直列に接続するための導電機能、およびセパレータを介し配置された一方のセルのセパレータ側に流通する燃料ガスと同上セパレータを介して配置された他の一方セルのセパレータ側に流通する酸化剤ガスの混合を防止する反応ガス遮断機能を有している。
【０００５】
一方、固体高分子型燃料電池からの電気エネルギーの外部への取り出しは、複数の単位セルを積層した積層体両端に設置された集電板を介して行なわれる。この集電板は、接触しているセルから燃料電池の発電環境下で安定してかつ効率良く電流を取り出すこと、あるいは接触しているセルに供給することが機能として必要である。集電板でのエネルギー損は集電板の電圧損として示すことができ、これを小さくすることが重要である。また、この電圧損の低減のためには集電板自体の抵抗とこの集電板とこれと接触するセパレータ間の接触抵抗を低減することが必要であるが、とりわけ集電板とこれと接触するセパレータ間の接触抵抗を低減かつ経時的な増大を防止することが重要である。
【０００６】
この接触抵抗は集電板とセパレータの材質、およびこの両材料の締付接触圧力で決まる。また、この締付接触圧力と接触抵抗の関係は、一般に、ある所定の接触圧力以上においてはほぼ一定の接触抵抗を示すが、ある所定の接触圧力より低下するとその低下ともにその接触抵抗は急激に増加し絶縁性を示す特性を持っている。
【０００７】
これらのことから、接触抵抗を低減し、また、これを低く維持するためには、セパレータ材と接触抵抗の小さい、かつ電池運転下での積層体塑性変形による全締付力低下およびそれに伴う接触面内の接触圧低下および面圧分布変化（面圧集中に伴う接触圧力分布の発生）に対し接触圧力感受性の小さい材料・構造にすることが必要である。
【０００８】
これらを実現するために、集電板の腐食による接触抵抗増大を防止する方法として腐食に対して安定な貴金属をコーテイグする方法（特許文献２）や、電池運転下での積層体の塑性変形による締付力低下緩和のためにバネを介して積層体を締め付けることにより、結果的に接触圧の低下抑制をはかる方法（特許文献１）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５６６７５７号公報
【特許文献２】特開平５−１８２６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、貴金属コーテイング集電板自体は腐食に対して高い信頼性を持つ反面、非常に高価なため商用化に対してネックとなっている。また、バネで積層体の塑性変形を吸収し締付力低下の緩和、すなわち集電板／セパレータ間の接触圧力低下の緩和の点から効果はあるものの、電池締付圧を維持するためには特別な大きなバネを必要とすることから同様にコストの観点から商用化に対してネックとなっている。
【００１１】
また、上記積層体を含む一般の燃料電池においても、集電板とセパレータはその接触面は両方とも平滑面であるため面接触となっているのが一般的である。一方、積層体の各種構成部品は機械強度・圧縮弾性特性に差を有しており、積層体締付下において締付方法およびそれら構成部品の機械強度・圧縮弾性特性差に起因した面圧分布を有している。この発生した面圧分布おける最小圧力が、集電板とセパレータの材質に依存する接触抵抗が急激に増大するある所定面圧以上になるように積層体の初期締付力が設定されている。
【００１２】
しかし、電池の長期運転を行なうに伴い、その温度・運転環境で積層体構成部品の塑性変形は避けられず、結果的に初期面圧分布に変化が生じることになる。この塑性変形に起因する面圧分布変化は、面圧集中方向になり、塑性変形が微少な部分はより接触面圧が増加し、大きな部分はより面圧が低下する。この面圧低下部分の面圧値がある値を下回ると、集電板全体としての抵抗が増大して電圧損が大きくなり、電池としての発電効率の低下を招くことが問題となっていた。
【００１３】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料電池の集電板とセパレータの間の接触電気抵抗を長期にわたって抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜をその両面からはさむように配置された燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路を備えた導電性で板状のセパレータと、を備えた単位セルを複数層積層した積層体と、前記積層体の端部に配置されたセパレータの前記積層体の外側の面に接して配置されて、前記セパレータの前記積層体の外側の面に接する面に凹凸部が形成された、前記積層体の発電電流を外部へ取り出す導電性の集電板と、前記集電板の外側に配置されて前記積層体をその積層方向に締め付ける締付板と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池の集電板とセパレータの間の接触電気抵抗を長期にわたって抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態の積層体の集電部付近を示す模式的部分縦断面図。
【図２】本発明に係る燃料電池の一実施形態のマニホルドをはずした状体の本体を示す立面図。
【図３】本発明に係る燃料電池の一実施形態の模式的平断面図。
【図４】図３のIV−IV線矢視部分立断面図。
【図５】本発明に係る燃料電池の一実施形態の集電板をこれに接する端部セパレータ側から見た部分斜視図。
【図６】本発明に係る燃料電池の一実施形態における集電板の電圧損の経時変化の試験結果を示す表。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係る燃料電池の一実施形態について説明する。図１は本発明に係る燃料電池の一実施形態の積層体の集電部付近を示す模式的部分縦断面図、図２は本発明に係る燃料電池の一実施形態のマニホルドをはずした状体の本体を示す立面図である。また、図３は本発明に係る燃料電池の一実施形態の模式的平断面図、図４は図３のIV−IV線矢視部分立断面図である。さらに、図５は本発明に係る燃料電池の一実施形態の集電板をこれに接する端部セパレータ側から見た部分斜視図である。ただし、図１で、積層体締付のためのスタッド、ナットおよび皿バネ等は省略してある。また、図１には積層体の両端集電構造のうちの片側の構造のみを示してある。
【００１８】
［実施形態の構成］
この燃料電池は、図２に示すように、複数の単位セル（単電池）３１が積層されて積層体（スタック）１９が構成され、その積層体１９の積層方向の両端に２枚の集電板３２が配置され、それらの集電板３２をその外側からはさむように２枚の締付板３３が配置されている。これらの締付板３３の周辺部に、積層方向に延びる複数本のスタッド３４が配置され、これにより、ナットと皿バネで積層体１９が積層方向に締め付けられている。締付板３３は、たとえばプラスチックなどの絶縁材料からできている。
【００１９】
図４などに示すように、この燃料電池は固体高分子電解膜１０を用いるものであって、各単位セル３１は、固体高分子膜１０の両面にそれぞれ、触媒を塗布したアノード極（燃料極）３８およびカソード極（酸化剤極）３９を配し、これらをはさんで両面に配置されたセパレータ１１で構成されている。セパレータ１１はカーボンなどの導電性材質からなる板状であって、アノード極３８に接する面上に燃料ガス流通路１２を成す溝が形成され、カソード極３９に接する面上に酸化剤ガス流通路１３を成す溝が形成されている。さらに、図１、図３および図４に示す例では、セパレータ１１に冷却水流通路２２が形成されている。
【００２０】
図３に例示するように、各単位セル３１の燃料ガス流通路１２、酸化剤ガス流通路１３、冷却水流通路２２にそれぞれ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給するために、積層体１９の周囲に、燃料ガス供給ガスマニホルド１４、空気供給ガスマニホルド１５、冷却水供給マニホルド４１が配置されている。さらに、各単位セル３１の燃料ガス流通路１２、酸化剤ガス流通路１３、冷却水流通路２２からそれぞれ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を排出するために、燃料ガス排出ガスマニホルド１６、空気排出ガスマニホルド１７、冷却水排出マニホルド４２が積層体１９の周囲に配置されている。
【００２１】
さらに、この燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置や、冷却水を供給する冷却水循環設備、各種機器を制御する制御装置など（図示せず）が配置されて、燃料電池システムが構成されている。
【００２２】
図１に示すように、締付板３３を貫通する穴を貫通して集電板端子部２１が配置されている。集電板端子部２１は導電性材料からなり、一端は集電板３２に固定されている。集電板３２は無酸素銅などの導電性材料からなり、端部セパレータ１８に接する面５０には、たとえば図５に示すように、機械加工のエンボス加工による凹凸面が形成され、さらにニッケルメッキが施されている。凹凸面の形成に当たっては、たとえば、平板の片面に切削加工を施して縦横に複数の溝５１を作ってこれらを凹部とし、残りの部分を凸部５２としてもよい。この場合は凸部５２の先端は平坦な面となるので好ましい。集電板３２の厚さはたとえば５ｍｍであり、凹凸の高さはたとえば０．５ｍｍである。凸部５２の全体に対する面積割合は、好ましくは３０ないし６０％程度である。
【００２３】
集電板３２の周囲には、積層体１９の端部に配置された端部セパレータ１８と締付板３３とにはさまれて集電板３２を囲むように周囲シール部２０が配置されている。周囲シール部２０は、燃料電池の運転中および停止中における側面から集電板３２への水分の浸入を防止する機能を有している。
【００２４】
集電板３２の集電部の大きさは、各単位セル３１の反応部よりも大きくかつ周囲シール部２０の内部と同じかまたは小さいことが好ましい。
【００２５】
［実施形態の作用］
つぎに、この実施形態の燃料電池の作用について説明する。
【００２６】
水素を含む燃料ガスは、燃料ガス供給ガスマニホルド１４から各単位セル３１の燃料ガス流通路１２に供給されて、燃料ガス排出ガスマニホルド１６を通じて排出される。同様に、酸素を含む酸化剤ガスである空気が、空気供給ガスマニホルド１５から各単位セル３１の酸化剤ガス流通路１３に供給されて、空気排出ガスマニホルド１７を通じて排出される。冷却水は、冷却水供給マニホルド４１から冷却水流通路２２に供給されて、冷却水排出マニホルド４２を通じて排出される。これにより、各単位セル３１で発電が行なわれるとともに冷却が行なわれる。
【００２７】
電池反応によって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が消費され、反応生成物の水が水蒸気として排出される。
【００２８】
固体高分子型燃料電池からの電気エネルギーの外部への取り出しは集電板３２を介して行なわれる。積層体１９の両端部に位置する端部セパレータ１８に対向する集電板３２の面５０に凹凸が形成されていることから、その面５０の凸部５２と端部セパレータ１８とが互いに押し付けられて電気的接触が確保される。しかも、この集電板３２は接触しているセルから燃料電池の発電環境下で安定してかつ効率良く電流を取り出すことができる。集電板３２でのエネルギー損は集電板３２の電圧損として示すことができるが、これを小さくすることができる。しかも、集電板３２とこれと接触する端部セパレータ１８の間の接触抵抗の経時的な増大を防止することができる。
【００２９】
この実施形態によれば、端部セパレータ１８と集電板３２の接触抵抗が小さく、かつ電池運転下での積層体１９塑性変形による全締付力低下およびそれに伴う接触面内の接触圧低下および面圧分布変化（面圧集中に伴う接触圧力分布の発生）に対し接触圧力感受性の小さい構造にすることができる。これにより、接触抵抗低減および維持を実現できる。
【００３０】
すなわち、この実施形態では、集電板３２と端部セパレータ１８の接触面積を小さくすることにより、同一締付力下で集電板３２と端部セパレータ１８のとの接触面の面圧を高くすることができる。また、電池運転下での積層体１９構成部品の個別塑性変形差に起因する面圧分布変化に対して、その最も面圧が低下した部分でも接触面の面圧を従来の平板集電板の接触面圧より高く維持できる。すなわち、平板集電板３２が接触抵抗増大を引き起こす同一面圧分布下でも、その接触面の面圧をそれ以下では接触抵抗が急激に増大する所定面圧以上に保持することが可能となる。これにより、長期的に安定した接触抵抗を有する、すなわち電圧損・エネルギー一損の増大のない、安定した燃料電池を実現できる。
【００３１】
［実施例の試験］
上記構成で電池を組立て、発電試験を行ない本発明の実施例の効果を確認した。また、比較としてエンボス加工なし銅板集電板３２およびニッケルメッキエンボス加工なし銅集電板３２の同一形状の集電板３２を組み込んで上記同様各々電池組立てを行ない、発電試験を実施した。この試験結果を図６に示す。ここで、集電板Ａは平滑銅プレート（メッキなし）を用いた従来タイプであり、集電板Ｂは集電板Ａの表面にニッケルメッキ処理を施した従来タイプであり、集電板Ｃは本発明の実施例の集電板（ニッケルメッキ処理エンボス加工銅プレート）である。
【００３２】
この発明の実施例の効果は、一定の発電電流を取り出したときの集電板端子部２１と接触する端部セパレータ１８に埋め込んだ金線端子間の電圧損で評価した。また、起動・停止試験を行ない、それによる電圧損の変化を測定した。図６で、電圧損は従来構成集電板（無酸素銅プレート）の１回目の発電試験時での所定取り出し電流下での電圧損を１．０とし、他の試験結果をその相対値で示した。
【００３３】
図６の結果に示されるように、従来の銅板による集電板Aは起動停止回数ともに電圧損が急激に増大していくことが確認できた。またニッケルメッキ処理をした従来型集電板Bは銅表面酸化物膜生成防止効果により、従来の銅板集電板より電圧損の増大量は小さいがやはり増大傾向を示している。本発明の実施例によるニッケルメッキエンボス加工集電板Cでは、初期電圧損は大きいものの、起動・停止による電圧損増加は小さく、安定していることが確認できた。
【００３４】
以上の試験結果から明らかなように、本発明の実施例による無酸素銅プレートに機械加工のエンボス加工による凸面を形成した後ニッケルメッキ処理した集電板３２を用いることにより、燃料電池の集電部の発電ロス・エネルギーロスを低減することが確認できた。
【００３５】
［変形例］
以上、本発明に係る燃料電池の実施形態について説明したが、これは単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３６】
たとえば、上記実施形態の説明では、集電板３２の凹凸をエンボス加工によって形成するものとしたが、同様の凹凸を形成できる加工方法であれば、他の機械加工あるいは化学処理によってもよい。
【００３７】
さらに、集電板３２の凹凸の形状としては、図５に示すような直線的なものに限らず、曲線的なものでもよく、たとえば、同心円状や渦巻状の溝または畝を形成したものでもよい。
【００３８】
また、上記実施形態の説明では集電板３２の銅表面の酸化物生成の抑制のためにニッケルメッキを施す場合を示したが、これに限定する必要はなく、十分な導電性を持ち（形成表面酸化物層による導電性低下が小さく）、十分な強度を持ち、かつ下地金属板への酸素拡散を防止できるメッキであればいずれでも良い。すなわち、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｏ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属メッキでも同等の効果が得られる。
【００３９】
なお、以上の説明で、「立面図」、「平面図」などの表現を用いたが、これらは説明の都合によるものであって、この燃料電池を重力方向に対してどのように配置してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０：固体高分子電解質膜
１１： セパレータ
１２：燃料ガス流通路
１３：酸化剤ガス流通路
１４：燃料ガス供給ガスマニホルド
１５：空気供給ガスマニホルド
１６：燃料ガス排出ガスマニホルド
１７：空気排出ガスマニホルド
１８：端部セパレータ
１９：積層体
２０：周囲シール部
２１：集電板端子部
２２：冷却水流通路
３１：単位セル
３２：集電板
３３：締付板
３４：スタッド
３８：アノード極（燃料極）
３９：カソード極（酸化剤極、空気極）
４１：冷却水供給マニホルド
４２：冷却水排出マニホルド
５０：面
５１：溝
５２：凸部
【図１】
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【図２】
2010186685.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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