(57)【要約】水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータからなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備する高分子電解質型燃料電池において、前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マニホールドの近傍に設けられている。
2003088395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータからなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備し、前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マニホールドの近傍に有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記端子部が電気良導体の被覆層を有する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記端子部から、前記入口側マニホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に、電気良導体の被覆層を有する請求の範囲第２項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記被覆層が金属板からなる請求の範囲第３項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記金属板が導電性接着剤により集電板に接着されている請求の範囲第４項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記集電板は、その面方向の電気比抵抗が厚み方向の電気比抵抗より小さい請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記集電板の面方向の電気比抵抗と厚み方向の電気比抵抗値との比が０．０１〜０．１である請求の範囲第６項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記集電板が導電性炭素材料とバインダーとのコンポジットからなる成形体を含む請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記成形体は、芯材の金属板を内包し、かつ前記金属板は前記成形体のマニホールド孔を含めて前記成形体より露出する部分を有しない請求の範囲第８項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記金属板が、貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物からなる導電層により被覆されている請求の範囲第９項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記集電板の少なくとも一方は、アノードまたはカソードと対向する面にガス流路を有し、アノード側セパレータまたはカソード側セパレータとして機能する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記集電板が、端板と一体に形成されている請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の集電板に関する。
背景技術
固体高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることで、電力を発生させるものである。
この燃料電池は通常、高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレータからなる単位セルを複数個積層したセル積層体から構成される。セル積層体の両端には、電流を取り出す集電板、および外部との電気的絶縁を図る絶縁板を介して端板が重ねられ、両端板が締結手段により締結されて、セル積層体には適切な荷重の締結圧がかけられる。端板には、燃料ガス、酸化剤ガスおよびクーラントの供給・排出のための手段が備えられる。このようにして燃料電池スタックと呼ばれるユニットが構成される。
セル積層体に燃料ガス、酸化剤ガス、およびクーラントを供給するため、両端に位置する集電板の少なくとも一方には、ガスまたはクーラントを流すための貫通孔が設けられる。この貫通孔部分の腐食を防止するため、および、隣接するセルのセパレータとの接触抵抗を低減し、さらに集電板自体の面内方向の導電率を向上させて、電気抵抗によるロスを抑えるため、集電板はステンレス鋼や銅などの金属材料に、金メッキを施して使用するのが通例である。金メッキを施された集電板は、金メッキの膜厚が足りない場合、微小なピットが基点となり、いずれは腐食が進行してしまう。このため、ガス、クーラントを供給・排出するための貫通孔には、直接ガスが触れないように、防食のための構造が提案されている。
しかしながら、金メッキを施した金属製の集電板を用いるには、次のような問題があった。高分子電解質型燃料電池が正常に機能するためには、高分子電解質膜の含水率を高くしなければならないため、供給ガスや排出ガスは多くの水蒸気を含んでいる。そのため、金属製集電板は、供給ガスや排出ガスが触れる部分では、腐食が発生しやすい。ガスの供給路で金属の腐食が発生すると、生成する金属イオンが混入するため電解質膜の性能が低下する。また、クーラントの供給路に金属の腐食が発生すると、クーラントの絶縁性が低下し、リーク電流によって発電電力が低下する。
このような金属の腐食によるイオンの混入を防ぐためには、金メッキの膜厚を厚くするか、防食のための構造をとらなければならない。しかし、金メッキの厚みを厚くするとコストが格段に高くなってしまう。また、防食のための構造をとると、新たに部品点数の増加や、工数の増加など、電池の構造や組立作業が煩雑になってしまう。腐食に伴うイオン流出の心配のない炭素材料で集電させる試みもある。しかし、炭素材料は、脆く、金属に比べて電気比抵抗が高いため、集電板の厚みを確保する必要があった。
発明の開示
本発明は、改良された集電板を備える高分子電解質型燃料電池を提供するもので、この燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータからなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備する。本発明による前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マニホールドの近傍に設けられている。
前記端子部は、電気良導体の被覆層を有することが好ましい。
前記電気良導体の被覆層は、前記端子部から、前記入口側マニホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に有することがより好ましい。
発明を実施するための最良の形態
本発明者らは、腐食のおそれのない炭素材料を主とする板材または成形板を集電体に用いるべく検討した。その結果、集電板の電流取り出し端子部を、反応ガス、特に燃料ガスの入口側マニホールドの近傍に設けることにより、高分子電解質型燃料電池に特有の効果が得られることを見いだした。すなわち、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。さらに、水分を含んだ状態において水素イオン伝導性を発現する高分子電解質膜を効率的に加湿することができる。
電極の耐久性を向上させるには、電極を高加湿にして運転することが有効であると提唱されている。電極を高加湿にするには、高加湿にした反応ガスを電池に供給する取り組みがなされている。しかし、燃料ガスの加湿量を上げると、エネルギー効率が下がってしまう。本発明によれば、集電板の反応ガスの入口側マニホールドの近傍に端子部が設けられており、当該入口側マニホールドに近接した電極反応部における電流密度が上がり、これによって反応により生成する水量が増し、電極を高加湿に保つことができる。
導電性の黒鉛板や、導電性炭素材料とバインダーとのコンポジット材料からなる成形板よりなる集電板は、後述のように面方向の電気比抵抗が小さくなるよう電気的に異方性化されていても、金属製集電板に比べれば電気比抵抗が大きい。従って、集電板の面内において、端子部に近い方は遠い方に比べて端子部との間の電気抵抗は小さい。このため、端子部に近いところと遠いところとでは、電流密度に差が生じ、電流密度の高い前者では電極反応量が増す。電極における反応ガスの入口側での電流密度をより上げるには、集電板の端子部から、電極の反応ガス入口側に相当する部分にまたがって、電気良導体の被覆層を設けるのが好ましい。
このようにして、アノードの燃料ガス入口側における電流密度を上げると、これに対応するカソード部分での反応による生成水が増し、これが逆拡散によってアノード側に移動する。このようにして電極部での生成水による加湿が期待できない反応ガス入口部、特に燃料ガス入口部付近を高加湿にすることにより、電極の耐久性を向上することができる。また、電池に供給する燃料ガスの加湿量を減らし、エネルギー効率を向上することができる。
本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の電流取り出し端子部分が、電気良導体である金属の膜または板からなる被覆層を有する。これによって、金属よりも導電性の劣る炭素を用いることに起因する、端子部での電気抵抗によるロスが低減でき、しかも端子部の強度を向上することができる。さらに好ましい実施の形態においては、その被覆層を構成する金属板をセパレータと重なるよう延長されている、すなわちセルスタックの締結圧がかかるようにされていることによって、より補強効果などを向上することができる。
本発明者らは、また、面方向の電気比抵抗が厚み方向、すなわちスタックの積層方向の電気比抵抗より小さい集電板を使用すべく検討を行った。その結果、黒鉛化度の高い炭素材料とバインダーとのコンポジット材料を圧縮成形することにより、面方向の電気比抵抗の小さい、電気的に異方性化された集電板を得ることに成功した。この集電板は、薄型で、金属イオンに起因する性能劣化を防止することができる。
本発明のさらに他の好ましい実施の形態においては、集電板がこれに接するセパレータと一体化されている。これにより、部品点数の削減の他、接触抵抗に起因する電気抵抗によるロスを低減することができる。
本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の端子部に、電力を取り出すケーブルを接続する金属板が２点以上で締結されている。これにより、集電板の端子部の割れを防止できる。
本発明に用いる導電性炭素を主成分とする集電板は、市販のグラッシーカーボン板や膨張黒鉛板などの導電性炭素板に、切削加工やブラスト加工等によって所定の形状に加工したものが適する。前記の導電性炭素板は、面方向の電気比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ程度以下のものが好ましく用いられる。さらに好ましい集電板は、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、もしくはエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、またはそれらの混合物に、黒鉛粉末を加えた成形材料を、圧縮成形、射出成形等によって所定の形状に加工したものである。これらの成形材料を板状に加工した後、切削加工やブラスト加工によって所定の形状に加工したものを用いることもできる。これらの成形板は、面方向の電気比抵抗が５ｍΩ・ｃｍ程度以下のものが好ましく用いられる。
燃料電池のセパレータが成形によって作られる場合、集電板をそれと同じ成形材料で作製することは、材料コストの上昇を抑える意味で望ましい。集電板の厚みについては、端子部とそれ以外の部分とで厚みを変えてもよい。厚みを変える場合には、端子部の根元の部分で応力集中による素材の破壊が発生しないよう、曲面によって段差を緩和する構造にすることが望ましい。また、集電板の厚みは、破壊しない程度の値、少なくとも３〜６ｍｍ程度とすることが必要である。
以下、本発明を実施の形態によりさらに詳しく説明する。
実施の形態１
図１は本実施の形態における高分子電解質型燃料電池スタックの一例を示す。
１で表す電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）は、高分子電解質膜およびこれを挟むアノードおよびカソードからなる。高分子電解質膜は、電極より一回り大きなサイズを有する。高分子電解質膜の周縁部はガスケットにより挟まれている。そのようなＭＥＡの構造はよく知られたものである。このＭＥＡ１はセパレータと交互に積層されている。セパレータは、片面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有するカソード側セパレータとアノード側セパレータを兼ねる単一のセパレータ２と、カソード側セパレータとアノード側セパレータとの両者間にクーラントの流路を設けた複合セパレータ２Ａとの２種類が用いられている。
前記のセルの積層体の上端には、カソード側の集電板３ａおよび絶縁板４ａを介して端板５ａが、また積層体の下端にはアノード側の集電板３ｂおよび絶縁板４ｂを介して端板５ｂがそれぞれ重ね合わされている。端板５ａおよび５ｂは、ボルト６およびナット８により締結されて、セルの積層体には所定の荷重が印加される。７はばねを表す。端板５ａには、反応ガスおよびクーラントの出入口が設けられている。図では、酸化剤ガスの出口１１、燃料ガスの入口１２およびクーラントの出口１３が示されている。こうして高分子電解質型燃料電池スタック１０が組み立てられる。
集電板３ａおよび３ｂは、それらの端子部１５ａおよび１５ｂがセル積層体の側面に突出しており、それらの端子部に、電力取り出しケーブル１６ａおよび１６ｂが金具１５ａおよび１５ｂによりそれぞれ接続されている。図１では、集電板３ａおよび３ｂは、それぞれカソード側セパレータおよびアノード側セパレータを兼ねるものとして示されているが、後に詳しく説明するように、集電板はそれらに限られるものではない。
図２〜４はカソード側セパレータを兼ねる集電板を示す。図２はその集電板のカソード側の正面図、図３はその背面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３では電力取り出し用ケーブル、およびそれを接続するための金属板などは省いている。
この集電板３０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３１、燃料ガス用マニホールド孔３２およびクーラント用マニホールド孔３３を有する。集電板３０は、カソードと対向する面に、一対のマニホールド孔３１を連絡する酸化剤ガスの流路３４を有する。集電板３０は、絶縁板と対向する面には、各マニホールド孔３１、３２および３３を囲むＯリングをはめる溝３７、３８および３９を有する。これらの溝に填め込まれたＯリングが、集電板と絶縁板との間で圧縮されて、各マニホールド孔からガスおよびクーラントが漏れるのを防止する。
集電板３０は、さらに２つの穴３６を持つ端子部３５を有し、その端子部にはこれを挟む２枚の金属板４５がビス４６とナット４７により取り付けられている。４８はばねワッシャ、４９は平ワッシャである。金属板４５には、電力取り出し用ケーブル４０の芯線４１がはんだ４２により接続されている。図２において、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３１および燃料ガス用マニホールド孔３２のうち、端子部３５に近い方のマニホールド孔が入口側である。
集電板３０の端子部３５と電力取り出しケーブル接続用の金属板４５との間の接続箇所は、特に限定されるものではないが、図２および図３に示すように、２点またはそれ以上で接続するのが好ましい。それは、接触面圧の均一化により抵抗分によるロスが緩和されるとともに、締結によって発生する応力が平準化されやすいためである。また、ここに示したように、端子部の両面に金属板を接続する他、片面だけに金属板を接合することもできる。しかし、両面に金属板を接続する方が、接触面を増やし接触抵抗を低減する効果がある。さらに、端子部に発生する応力が均一化され、締め付け力の過多による破壊を防ぐ効果も得られる。
図５は、集電板３０の端子部３５に、電力取り出しケーブル４０を接続する他の例を示す。ケーブル４０をはんだ付けしたＵ字状の接続金具４３に、集電板３０の端子部３５を嵌合し、穴３６を貫通するビス４４により両者を固定している。
ここでは、燃料電池スタックの締結にボルト、ばね、ナットからなる締結手段を用いたが、他の締結手段に変更してもよい。集電板の端子部に電力取り出しケーブルを接続するために、端子部に穴を開け、ビスとナットで金属板を接続したが、他の接続法をとることもできる。例えば、端子部３５にねじ穴を形成し、電力ケーブルを接続した圧着端子を前記穴にねじ止めによって接続してもよい。電気的接続を安定して保持できる別の接続方法を採ってもよい。
また、電力取り出しケーブルとケーブルを接続する金属板とは、はんだで接続したが、かしめによって圧着する等、電気的に良好な接続を保持できる方法であれば、どのような方法でもよい。ケーブルを接続する金属板の材質は、接触抵抗が低い金属材料を用いればよい。例えば、電気抵抗が低く、加工性の良好なりん青銅、銅などの金属を用いることができる。
実施の形態２
集電板の端子部における抵抗ロスを低減させる方法について説明する。
図６は本実施の形態における集電板のカソード側の正面図である。集電板３０Ａは、その端子部３５の両面に、厚み１μｍ程度の金属膜５０を形成している。この他の構成は、図２に示した集電板３０と同様である。この金属膜５０により、集電板の端子部３５と電力取り出しケーブルを接続する金属板などとの間の接触抵抗を低減することができる。
図７は集電板のさらに他の例を示す。集電板３０Ｂは、絶縁板と対向する面の実質全面に、厚み数μｍ〜数十μｍ程度の金属膜５１を形成している。この金属膜により、集電板の面内方向の導電性を向上でき、抵抗ロスがさらに低減できる。この場合、金属イオンの溶出による性能低下を防ぐため、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントと接触する箇所には金属膜を形成しないことが望ましい。この例では、各マニホールド孔を囲むＯリングを装着するための溝３７、３８および３９から若干外側に離れた位置までは金属膜を形成していない。金属膜を形成する金属としては、銅やアルミの他、導電性が付与できる素材を用いればよい。膜の形成法としては、例えば蒸着や溶射が利用できるが、所定の厚膜を短時間で形成できる点で溶射が好ましい。その他の構造は、実施の形態１と同様である。
図８は図２または図６の集電板の背面に設置される絶縁板を表す。この絶縁板６０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔６１、燃料ガス用マニホールド孔６２およびクーラント用マニホールド孔６３を有する。
実施の形態３
本実施の形態では、セパレータとは別個の独立した集電板について説明する。
図９はアノード側セパレータの正面図、図１０はそのアノード側セパレータに接する集電板の正面図である。図１２はカソード側セパレータの正面図、図１３はそのカソード側セパレータに接する集電板の正面図である。
アノード側セパレータ１１０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１、燃料ガス用マニホールド孔１１２およびクーラント用マニホールド孔１１３を有し、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔１１２を連絡する燃料ガスの流路１１６を有する。このセパレータ１１０の背面に配置される集電板１２０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２１、燃料ガス用マニホールド孔１２２およびクーラント用マニホールド孔１２３を有する。集電板１２０は、端子部１２５を、セパレータ１１０の燃料ガスのマニホールド孔のうち入口側マニホールド孔（ガスの流れ方向を示す矢印から明らかなように、図では左上の方のマニホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部１２５、およびこれに連なる部分、すなわちセパレータ１２０の前記入口側マニホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域１２６には、電気良導体の被覆層１２７が設けられている。前記の領域１２６は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層１２７を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている。端子部１２５には、電流取り出し用ケーブルに接続するための金属板を取りつける孔１２８を有する。
カソード側セパレータ１３０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１３１、燃料ガス用マニホールド孔１３２およびクーラント用マニホールド孔１３３を有し、カソードと対向する面に、一対のマニホールド孔１３１を連絡する酸化剤ガスの流路１３４を有する。このセパレータ１３０の背面に配置される集電板１４０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１４１、燃料ガス用マニホールド孔１４２およびクーラント用マニホールド孔１４３を有する。集電板１４０は、端子部１４５を、セパレータ１３０の酸化剤ガスのマニホールド孔１３１のうち入口側マニホールド孔（図では右上の方のマニホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部１４５、およびこれに連なる部分、すなわちセパレータ１３０の前記入口側マニホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域１４６には、電気良導体の被覆層１４７が設けられている。前記の領域１４６は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層１４７を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている。端子部１４５には、電流取り出し用ケーブルに接続するための金属板を取りつける孔１４８を有する。
図９および図１０から明らかなように、集電板１２０の端子部１２５の被覆層１２７は、セパレータ板１１０におけるガス流路１１６の入口側に対応する部分まで伸びている。金属膜または金属板からなる被覆層１２７は、炭素材料を主とする他の部分より電気抵抗が小さいから、発電時に端子部１２５から電流が取り出される際、電流密度は前記の部分で高くなる。これによって、セルの電極反応は、ガス流路１１６の入口側において優先的に進行する。同様に、カソード側においても、ガス流路１３４の入口側において優先的に進行する。このようにして各セルでは、ガスの入口側マニホールド孔に近い方で反応により生成する水の量が多くなり、その下流へ供給される反応ガスを加湿することとなる。
図１０および図１３に示されるように、アノード側集電板の端子部１２５とカソード側集電板の端子部１４５が互いに向き合うように、すなわち燃料ガスの入口側マニホールド孔および酸化剤ガスの入口側マニホールド孔を近接して設けるのが好ましい。
上記のセパレータと集電板の組み合わせの変形例を図１５〜１８に示す。
図１５に示すアノード側セパレータ１１０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１１１Ａの位置を変えた他は図９のセパレータ１１０と同様である。このセパレータ１１０Ａの背面に配置される集電板１２０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１２１Ａの位置が異なることおよび被覆層１２７Ａの形状が若干異なる他は図１０の集電板１２０と同様である。
また、図１７に示すカソード側セパレータ１３０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１３１Ａの位置を変えた他は図１２のセパレータ１３０と同様である。このセパレータ１３０Ａの背面に配置される集電板１４０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１４１Ａの位置が異なることおよび被覆層１４７Ａの形状が若干異なる他は図１３の集電板１４０と同様である。
ここに示した被覆層１２７、１２７Ａ、１４７および１４７Ａは、実施の形態２で説明した金属膜により形成することができる。しかし、より好ましい実施の形態においては、被覆層は金属板により形成される。
前記の被覆層が金属板で形成され、図９に示されるように、その一部が集電板に積層されるセパレータの投影面積の内側に入り込むようにされるのが好ましい。そのように構成されると、金属板には、スタックの締結荷重がセパレータと集電板との間で荷重される。そうすると金属板はスタックの締結荷重に応じて強固に固定される。金属板は、集電板の端子部をも被覆しているから、端子部に接続されたケーブルにより端子部の根本部にかかる応力を有効に緩和する働きをする。
前記の金属板は、集電板に導電性接着剤やシリコーン接着剤等の弾力性を有する接着剤で固着させるのが好ましい。シリコーン接着剤等の絶縁性接着剤は、集電板と金属板との間の特定領域に介在させ、集電板の特定部分の電流密度を制限するのに便利である。
図１９は集電板１２０の部分１２６に導電性接着剤１２９により金属板１２７を接着した例を示している。このように金属板が接着剤により集電板に固着されると、集電板と金属板の段差がなくなり、端子部の応力緩和にはより有効である。金属板と集電板とを導電性接着剤により接着した場合は、接着剤を用いないものに比較して、集電板の端子部で３０Ａの電流を取り出すとき、スタック両端の集電板間で約５ｍＶ電圧が高いことが確認された。
実施の形態４
本実施の形態における集電板を図２０及び図２１に示す。
図２０はアノード側の集電板の正面図である。この集電板１２０Ｂは、端子部１２５Ｂおよびこれに連なる部分に被覆層１２７を有しない他は図１０の集電板と同様の構造を有し、図９に示すアノード側セパレータ１１０の背面に配置される。
図２１はカソード側の集電板の正面図である。この集電板１４０Ｂは、端子部１４５Ｂおよびこれに連なる部分に被覆層１４７を有しない他は図１３の集電板と同様の構造を有し、図１２に示すカソード側セパレータ１３０の背面に配置される。
ここに示した集電板は、いずれも炭素材料とバインダーのコンポジット材料の成形体から構成されている。そのため、発電時には、端子部に近いところ、すなわちガスの入口側マニホールド孔の近傍で電流密度が高くなり、実施の形態４と同様に、ガスを加湿する効果が発揮される。
実施の形態５
本実施の形態では、セパレータを兼ねる集電板の例を説明する。
図２２はアノード側セパレータを兼ねる集電板の正面図、図２３はその背面図である。この集電板１５０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５１、燃料ガス用マニホールド孔１５２およびクーラント用マニホールド孔１５３を有し、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔１５２を連絡する燃料ガスの流路１５６を有する。集電板１５０は、アノード側マニホールド孔１５２のうち入口側のマニホールド孔（図２２において左上の方のマニホールド孔）の近傍に端子部１５５を有し、その背面にはマニホールド孔１５１の近傍まで伸びた被覆層１５７を有する。この被覆層の構成は、集電板の背面にのみ形成されている他は、実施の形態３で説明した集電板１２０などと同様である。ここでは、アノード側の集電板について説明したが、同様に、カソード側セパレータを兼ねた集電板を構成することができることは当業者には容易に理解されるであろう。
実施の形態６
本実施の形態では、芯材となる金属板を埋め込んだ集電板について説明する。
図２４は本実施の形態の集電板の正面図、図２５は図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線断面図である。集電板１６０は導電性炭素材料とバインダーからなる成形材料により芯材金属板を包囲するように成形したものである。集電板１６０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１６１、燃料ガス用マニホールド孔１６２およびクーラント用マニホールド孔１６３を有し、側面に突出させて端子部１６５を有する。この集電板に埋め込まれた金属板１６７は、外部へ露出する部分がないように、外形は集電板のそれより小さいサイズであり、かつ各マニホールド孔に対応する部分ではマニホールド孔より径の大きい孔を有する。
図２６は、芯材金属板の表面に電気良導体層１６９を形成した例を示す。この層により、成形材料からなる層と芯材金属板との接触抵抗を低減し、集電板の電気特性を向上することができる。そのような層を形成するには、芯材金属板の表面の酸化物をあらかじめ除去し、その上に貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物の層を形成して電気良導体層とすることができる。
黒鉛８０ｗｔ％およびフェノール樹脂２０ｗｔ％の混合物からなる成形用導電性材料を用い、芯材金属板を包み込むようにして集電板を成形した実施例を以下に説明する。
まず、金型に成形用コンパウンドを５０ｇ均一に充填し、型締め圧１００ｋｇｆ／ｃｍ２にて予備圧縮を行った。この時金型温度は７０℃であった。次に、金型を開き、金属板を挿入し、その上から成形用コンパウンドを５０ｇ充填し、金型を型締め圧５００ｋｇｆ／ｃｍ２で締め、温度を１６０℃まで上昇させた。こうして作製した集電板は、導電性成形材料のみで作製した集電板（厚み７ｍｍｍｍ）に比較し、強度的に強く、かつ電気抵抗も低いため、集電板厚みを４ｍｍと薄くすることが可能となった。芯材には、厚み２ｍｍの黄銅板を用いた。集電板には、図２４に示すように、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラント用の各一対のマニホールド孔を設けた。マニホールド孔の内面は導電性成形材料で覆われており、芯材金属板と各マニホールド孔を流れる流体が接しないような構造とした。この集電板を用いたスタックを作製し、クーラントに純水を用いて発電テストを１００時間行った。積層セル数は５０セルであった。比較例として黄銅のみの集電板を用いた５０セルのスタックも同様にテストした。その結果、比較例の黄銅製集電板に設けられたクーラント用マニホールド孔の内面には腐食が確認されたが、本実施例の集電板のマニホールド孔の内面には腐食は確認されなかった。クーラントに用いた純水をテスト終了後に分析した。その結果、黄銅製集電板を用いたスタックの冷却水からは１００ｐｐｍの銅イオンと８０ｐｐｍの亜鉛イオンが検出された。一方、本実施例のスタックのクーラントからは金属イオンは検出されなかった。導電性成形材料で金属芯材を覆うことにより、強度および電気導電性を確保し、低コストと不純物の溶出削減を行わせることが可能となる。
以下に、芯材の金属板の表面に、電気良導体層を形成する例を具体的に説明する。
（１）厚さ１ｍｍの黄銅板の表面に、ＲＦ−プレナマグネトロンを用いたスパッタ法により、白金または金の層を１２０Åの厚さに形成した。ターゲットには、白金（９９％）または金（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。スパッタ雰囲気は、４×１０−２ＴｏｒｒのＡｒ（９９．９９９９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗ、成膜速度は１．５μｍ／時間となるようにした。
（２）厚さ１ｍｍのＴｉ板の表面に、ＲＦ−プレナマグネトロンを用いたスパッタ法により、ＴｉＮ層を１μｍの厚さに形成した。ターゲットには、ＴｉＮ（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。スパッタ雰囲気は４×１０−２ＴｏｒｒのＡｒ（９９．９９９９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗ、成膜速度が１．５μｍ／時間となるようにした。得られたスパッタ層は、Ｘ線回折による構造解析により、ＴｉＮと同定された。この方法で得られたＴｉＮ層の比抵抗は、２×１０−４Ωｃｍであった。
（３）厚さ１ｍｍのＡｌ板の表面に、ＲＦ−ダイオードを用いたスパッタ法により、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ層を１．２μｍの厚さに形成した。ターゲットには、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ（９９％）を用い、基板温度は３００℃とした。スパッタ雰囲気は４×１０−２ＴｏｒｒのＡｒ（９９．９９９％）、スパッタ電力は３００Ｗ、成膜速度は１．０μｍ／時間となるようにした。この方法で得られたＴｉ−Ａｌ−Ｎ層の比抵抗は、１×１０−３Ωｃｍであった。
（４）金属基板上にｎ型ドープしたＳｉＣ層の形成方法を示す。成膜方法は、１４．５６ＭＨｚの高周波グロー放電分解法を用い、被分解ガスは、水素で希釈したシラン、メタン（ＣＨ４）、ジボラン（ＰＨ３）を、Ｐ／（Ｓｉ＋Ｃ）＝１０原子％となる比率で混合し、全体を１０Ｔｏｒｒとし、基板温度３００℃で行った。このとき、成膜時間を制御することで、ｎ型ドープしたＳｉＣ層の膜厚を１０００Åとした。成膜後、ＳｉＣ層の上に、金電極を蒸着し、ＳｉＣ層の比抵抗を測定したところ、５０Ω・ｃｍであった。
（５）厚さ１ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６板の表面に、真空加熱蒸着法によりＰｂ層を１μｍの厚さに形成した。このときの蒸着条件は、１×１０−７ＴｏｒｒのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲気で、基板温度は２００℃とした。次に、このＰｂ蒸着ステンレス鋼板のＰｂ蒸着面に、ＰｂＯ層をスパッタ法により形成した。形成条件は、酸素分圧が２×１０−４ＴｏｒｒのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲気、基板温度を２００℃、成膜速度３μｍ／時間となるようにスパッタ電力を制御した。得られたスパッタ層は、Ｘ線回折による構造解析によりＰｂＯと同定された。この方法で得られたＰｂＯ層の比抵抗は、５×１０−５Ωｃｍであった。
また、酸化スズを用いた例では、板厚１ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６表面にＩｎをドープした酸化スズの層を真空電子ビーム蒸着法により０．５μｍの厚さに形成した。蒸着時の真空度は５×１０−６ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気で、基板温度は３００℃とした。
以上のようにして表面処理した芯材金属板を埋め込んだ炭素成形材料からなる集電板は、未処理の金属板を用いた集電板に比べて電気特性は向上し、電圧ロスが少なくなることが確認された。
実施の形態７
本実施の形態では、集電板とスタック締結用端板とを一体に成形した例を説明する。この集電板は、電気抵抗を極めて低く保つためにスタック積層方向に板厚を大きくした。集電板は黒鉛板で作製し、その板厚は７０ｍｍであった。この黒鉛板の電気比抵抗は、面方向が１ｍΩ・ｃｍ、厚み方向が１００ｍΩ・ｃｍであった。板厚が７０ｍｍもあるので、集電板を含めたセル積層体をボルト、ナット、ばね等の締結部材によって所定の荷重で締結した。事前に感圧紙で電極への締結面圧を確認したところ、１０ｋｇｆ／ｃｍ２の面圧が電極にかかっており、集電板にクラック、顕著なひずみ等は確認されなかった。その際、ボルトの周囲には厚み０．５ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製テープを巻き、ばねが集電板と接する部位には、ポリフェニレンサルファイド製の厚さ５ｍｍのスペーサを介して締結した。こうして高分子電解質型燃料電池スタックを完成させた。
集電板は、その端部に端子部を備え、そこに電力取り出しケーブルを接続した。端子部の詳細な構造は実施の形態１と同様である。
締結用ボルトの一部を用いてスタックを評価台に固定し、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントを供給して発電させたところ、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２まで電流をとることに問題のないことが確認された。
ここでは、端板を一体にした集電板の例を説明したが、この集電板には、アノードまたはカソードに対向する面にガス流路を設けて、セパレータを兼ねるようにすることもできる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、導電性炭素材料を主とするため、低コストで、軽量であり、マニホールド孔における金属の腐食を危惧することのない集電板を提供する。特に、端子部を反応ガスの入口側マニホールド孔の近傍に設けることにより、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。その結果、電極の耐久性を向上することができる。また、集電板の一方の面にガス流路を形成することにより、端部に位置するセパレータと一体化できるから、部品点数の削減や抵抗成分による発電ロスの低減を図ることができる。これらによって高分子電解質型燃料電池のコスト低減や体積および重量効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による燃料電池スタックの構造の一例を示す一部を断面にした側面図である。
図２は本発明の実施の形態１における集電板の正面図である。
図３は同じ集電板の背面図である。
図４は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
図５は集電板へのケーブルの別の接続例を示す要部の斜視図である。
図６は本発明の実施の形態２における集電板の正面図である。
図７は集電板の別の例を示す背面図である。
図８は集電板と合わせて用いる絶縁板の一例を示す正面図である。
図９は本発明の実施の形態３におけるアノード側セパレータの正面図である。
図１０は図９のセパレータ板に組み合わされる集電板の正面図である。
図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
図１２は本発明の実施の形態３におけるカソード側セパレータの正面図である。
図１３は図１２のセパレータ板に組み合わされる集電板の正面図である。
図１４は図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
図１５は別のアノード側セパレータを示す正面図である。
図１６は図１５のセパレータに組み合わされる集電板の正面図である。
図１７は別のカソード側セパレータを示す正面図である。
図１８は図１７のセパレータに組み合わされる集電板の正面図である。
図１９は別の集電板の例を示す縦断面図である。
図２０は本発明の実施の形態４におけるアノード側集電板の正面図である。
図２１は本発明の実施の形態４におけるカソード側集電板の正面図である。
図２２は本発明の実施の形態５におけるアノード側集電板の正面図である。
図２３は図２２のアノード側集電板の背面図である。
図２４は本発明の実施の形態６におけるアノード側集電板の正面図である。
図２５は図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線断面図である。
図２６は芯材金属板の表面に電気良導体層を形成した例を示す要部の拡大断面図である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年3月12日(2004.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータからなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備し、前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マニホールドの近傍に有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記端子部が電気良導体の被覆層を有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記端子部から、前記入口側マニホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に、電気良導体の被覆層を有する請求項２記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記被覆層が金属板からなる請求項３記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記金属板が導電性接着剤により集電板に接着されている請求項４記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記集電板は、その面方向の電気比抵抗が厚み方向の電気比抵抗より小さい請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記集電板の面方向の電気比抵抗と厚み方向の電気比抵抗値との比が０．０１〜０．１である請求項６記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記集電板が導電性炭素材料とバインダーとのコンポジットからなる成形体を含む請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記成形体は、芯材の金属板を内包し、かつ前記金属板は前記成形体のマニホールド孔を含めて前記成形体より露出する部分を有しない請求項８記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記金属板が、貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物からなる導電層により被覆されている請求項９記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記集電板の少なくとも一方は、アノードまたはカソードと対向する面にガス流路を有し、アノード側セパレータまたはカソード側セパレータとして機能する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記集電板が、端板と一体に形成されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の集電板に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることで、電力を発生させるものである。
【０００３】
この燃料電池は通常、高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレータからなる単位セルを複数個積層したセル積層体から構成される。セル積層体の両端には、電流を取り出す集電板、および外部との電気的絶縁を図る絶縁板を介して端板が重ねられ、両端板が締結手段により締結されて、セル積層体には適切な荷重の締結圧がかけられる。端板には、燃料ガス、酸化剤ガスおよびクーラントの供給・排出のための手段が備えられる。このようにして燃料電池スタックと呼ばれるユニットが構成される。
【０００４】
セル積層体に燃料ガス、酸化剤ガス、およびクーラントを供給するため、両端に位置する集電板の少なくとも一方には、ガスまたはクーラントを流すための貫通孔が設けられる。この貫通孔部分の腐食を防止するため、および、隣接するセルのセパレータとの接触抵抗を低減し、さらに集電板自体の面内方向の導電率を向上させて、電気抵抗によるロスを抑えるため、集電板はステンレス鋼や銅などの金属材料に、金メッキを施して使用するのが通例である。金メッキを施された集電板は、金メッキの膜厚が足りない場合、微小なピットが基点となり、いずれは腐食が進行してしまう。このため、ガス、クーラントを供給・排出するための貫通孔には、直接ガスが触れないように、防食のための構造が提案されている。
【０００５】
しかしながら、金メッキを施した金属製の集電板を用いるには、次のような問題があった。高分子電解質型燃料電池が正常に機能するためには、高分子電解質膜の含水率を高くしなければならないため、供給ガスや排出ガスは多くの水蒸気を含んでいる。そのため、金属製集電板は、供給ガスや排出ガスが触れる部分では、腐食が発生しやすい。ガスの供給路で金属の腐食が発生すると、生成する金属イオンが混入するため電解質膜の性能が低下する。また、クーラントの供給路に金属の腐食が発生すると、クーラントの絶縁性が低下し、リーク電流によって発電電力が低下する。
【０００６】
このような金属の腐食によるイオンの混入を防ぐためには、金メッキの膜厚を厚くするか、防食のための構造をとらなければならない。しかし、金メッキの厚みを厚くするとコストが格段に高くなってしまう。また、防食のための構造をとると、新たに部品点数の増加や、工数の増加など、電池の構造や組立作業が煩雑になってしまう。腐食に伴うイオン流出の心配のない炭素材料で集電させる試みもある。しかし、炭素材料は、脆く、金属に比べて電気比抵抗が高いため、集電板の厚みを確保する必要があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、低コストで、軽量であり、マニホールド孔における金属の腐食を危惧することのない集電板を具備した高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、改良された集電板を備える高分子電解質型燃料電池を提供するもので、この燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータからなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備する。本発明による前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マニホールドの近傍に設けられている。
【０００９】
前記端子部は、電気良導体の被覆層を有することが好ましい。
前記電気良導体の被覆層は、前記端子部から、前記入口側マニホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に有することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、導電性炭素材料を主とするため、低コストで、軽量であり、マニホールド孔における金属の腐食を危惧することのない集電板を提供する。特に、端子部を反応ガスの入口側マニホールド孔の近傍に設けることにより、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。その結果、電極の耐久性を向上することができる。また、集電板の一方の面にガス流路を形成することにより、端部に位置するセパレータと一体化できるから、部品点数の削減や抵抗成分による発電ロスの低減を図ることができる。これらによって高分子電解質型燃料電池のコスト低減や体積および重量効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、腐食のおそれのない炭素材料を主とする板材または成形板を集電体に用いるべく検討した。その結果、集電板の電流取り出し端子部を、反応ガス、特に燃料ガスの入口側マニホールドの近傍に設けることにより、高分子電解質型燃料電池に特有の効果が得られることを見いだした。すなわち、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。さらに、水分を含んだ状態において水素イオン伝導性を発現する高分子電解質膜を効率的に加湿することができる。
【００１２】
電極の耐久性を向上させるには、電極を高加湿にして運転することが有効であると提唱されている。電極を高加湿にするには、高加湿にした反応ガスを電池に供給する取り組みがなされている。しかし、燃料ガスの加湿量を上げると、エネルギー効率が下がってしまう。本発明によれば、集電板の反応ガスの入口側マニホールドの近傍に端子部が設けられており、当該入口側マニホールドに近接した電極反応部における電流密度が上がり、これによって反応により生成する水量が増し、電極を高加湿に保つことができる。
【００１３】
導電性の黒鉛板や、導電性炭素材料とバインダーとのコンポジット材料からなる成形板よりなる集電板は、後述のように面方向の電気比抵抗が小さくなるよう電気的に異方性化されていても、金属製集電板に比べれば電気比抵抗が大きい。従って、集電板の面内において、端子部に近い方は遠い方に比べて端子部との間の電気抵抗は小さい。このため、端子部に近いところと遠いところとでは、電流密度に差が生じ、電流密度の高い前者では電極反応量が増す。電極における反応ガスの入口側での電流密度をより上げるには、集電板の端子部から、電極の反応ガス入口側に相当する部分にまたがって、電気良導体の被覆層を設けるのが好ましい。
【００１４】
このようにして、アノードの燃料ガス入口側における電流密度を上げると、これに対応するカソード部分での反応による生成水が増し、これが逆拡散によってアノード側に移動する。このようにして電極部での生成水による加湿が期待できない反応ガス入口部、特に燃料ガス入口部付近を高加湿にすることにより、電極の耐久性を向上することができる。また、電池に供給する燃料ガスの加湿量を減らし、エネルギー効率を向上することができる。
【００１５】
本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の電流取り出し端子部分が、電気良導体である金属の膜または板からなる被覆層を有する。これによって、金属よりも導電性の劣る炭素を用いることに起因する、端子部での電気抵抗によるロスが低減でき、しかも端子部の強度を向上することができる。さらに好ましい実施の形態においては、その被覆層を構成する金属板をセパレータと重なるよう延長されている、すなわちセルスタックの締結圧がかかるようにされていることによって、より補強効果などを向上することができる。
【００１６】
本発明者らは、また、面方向の電気比抵抗が厚み方向、すなわちスタックの積層方向の電気比抵抗より小さい集電板を使用すべく検討を行った。その結果、黒鉛化度の高い炭素材料とバインダーとのコンポジット材料を圧縮成形することにより、面方向の電気比抵抗の小さい、電気的に異方性化された集電板を得ることに成功した。この集電板は、薄型で、金属イオンに起因する性能劣化を防止することができる。
【００１７】
本発明のさらに他の好ましい実施の形態においては、集電板がこれに接するセパレータと一体化されている。これにより、部品点数の削減の他、接触抵抗に起因する電気抵抗によるロスを低減することができる。
本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の端子部に、電力を取り出すケーブルを接続する金属板が２点以上で締結されている。これにより、集電板の端子部の割れを防止できる。
【００１８】
本発明に用いる導電性炭素を主成分とする集電板は、市販のグラッシーカーボン板や膨張黒鉛板などの導電性炭素板に、切削加工やブラスト加工等によって所定の形状に加工したものが適する。前記の導電性炭素板は、面方向の電気比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ程度以下のものが好ましく用いられる。さらに好ましい集電板は、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、もしくはエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、またはそれらの混合物に、黒鉛粉末を加えた成形材料を、圧縮成形、射出成形等によって所定の形状に加工したものである。これらの成形材料を板状に加工した後、切削加工やブラスト加工によって所定の形状に加工したものを用いることもできる。これらの成形板は、面方向の電気比抵抗が５ｍΩ・ｃｍ程度以下のものが好ましく用いられる。
【００１９】
燃料電池のセパレータが成形によって作られる場合、集電板をそれと同じ成形材料で作製することは、材料コストの上昇を抑える意味で望ましい。集電板の厚みについては、端子部とそれ以外の部分とで厚みを変えてもよい。厚みを変える場合には、端子部の根元の部分で応力集中による素材の破壊が発生しないよう、曲面によって段差を緩和する構造にすることが望ましい。また、集電板の厚みは、破壊しない程度の値、少なくとも３〜６ｍｍ程度とすることが必要である。
【００２０】
以下、本発明を実施の形態によりさらに詳しく説明する。
実施の形態１
図１は本実施の形態における高分子電解質型燃料電池スタックの一例を示す。
１で表す電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）は、高分子電解質膜およびこれを挟むアノードおよびカソードからなる。高分子電解質膜は、電極より一回り大きなサイズを有する。高分子電解質膜の周縁部はガスケットにより挟まれている。そのようなＭＥＡの構造はよく知られたものである。このＭＥＡ１はセパレータと交互に積層されている。セパレータは、片面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有するカソード側セパレータとアノード側セパレータを兼ねる単一のセパレータ２と、カソード側セパレータとアノード側セパレータとの両者間にクーラントの流路を設けた複合セパレータ２Ａとの２種類が用いられている。
【００２１】
前記のセルの積層体の上端には、カソード側の集電板３ａおよび絶縁板４ａを介して端板５ａが、また積層体の下端にはアノード側の集電板３ｂおよび絶縁板４ｂを介して端板５ｂがそれぞれ重ね合わされている。端板５ａおよび５ｂは、ボルト６およびナット８により締結されて、セルの積層体には所定の荷重が印加される。７はばねを表す。端板５ａには、反応ガスおよびクーラントの出入口が設けられている。図では、酸化剤ガスの出口１１、燃料ガスの入口１２およびクーラントの出口１３が示されている。こうして高分子電解質型燃料電池スタック１０が組み立てられる。
【００２２】
集電板３ａおよび３ｂは、それらの端子部１５ａおよび１５ｂがセル積層体の側面に突出しており、それらの端子部に、電力取り出しケーブル１６ａおよび１６ｂが金具１５ａおよび１５ｂによりそれぞれ接続されている。図１では、集電板３ａおよび３ｂは、それぞれカソード側セパレータおよびアノード側セパレータを兼ねるものとして示されているが、後に詳しく説明するように、集電板はそれらに限られるものではない。
図２〜４はカソード側セパレータを兼ねる集電板を示す。図２はその集電板のカソード側の正面図、図３はその背面図、図４は図２のIV−IV線断面図である。図３では電力取り出し用ケーブル、およびそれを接続するための金属板などは省いている。
【００２３】
この集電板３０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３１、燃料ガス用マニホールド孔３２およびクーラント用マニホールド孔３３を有する。集電板３０は、カソードと対向する面に、一対のマニホールド孔３１を連絡する酸化剤ガスの流路３４を有する。集電板３０は、絶縁板と対向する面には、各マニホールド孔３１、３２および３３を囲むＯリングをはめる溝３７、３８および３９を有する。これらの溝に填め込まれたＯリングが、集電板と絶縁板との間で圧縮されて、各マニホールド孔からガスおよびクーラントが漏れるのを防止する。
【００２４】
集電板３０は、さらに２つの穴３６を持つ端子部３５を有し、その端子部にはこれを挟む２枚の金属板４５がビス４６とナット４７により取り付けられている。４８はばねワッシャ、４９は平ワッシャである。金属板４５には、電力取り出し用ケーブル４０の芯線４１がはんだ４２により接続されている。図２において、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３１および燃料ガス用マニホールド孔３２のうち、端子部３５に近い方のマニホールド孔が入口側である。
【００２５】
集電板３０の端子部３５と電力取り出しケーブル接続用の金属板４５との間の接続箇所は、特に限定されるものではないが、図２および図３に示すように、２点またはそれ以上で接続するのが好ましい。それは、接触面圧の均一化により抵抗分によるロスが緩和されるとともに、締結によって発生する応力が平準化されやすいためである。また、ここに示したように、端子部の両面に金属板を接続する他、片面だけに金属板を接合することもできる。しかし、両面に金属板を接続する方が、接触面を増やし接触抵抗を低減する効果がある。さらに、端子部に発生する応力が均一化され、締め付け力の過多による破壊を防ぐ効果も得られる。
【００２６】
図５は、集電板３０の端子部３５に、電力取り出しケーブル４０を接続する他の例を示す。ケーブル４０をはんだ付けしたＵ字状の接続金具４３に、集電板３０の端子部３５を嵌合し、穴３６を貫通するビス４４により両者を固定している。
ここでは、燃料電池スタックの締結にボルト、ばね、ナットからなる締結手段を用いたが、他の締結手段に変更してもよい。集電板の端子部に電力取り出しケーブルを接続するために、端子部に穴を開け、ビスとナットで金属板を接続したが、他の接続法をとることもできる。例えば、端子部３５にねじ穴を形成し、電力ケーブルを接続した圧着端子を前記穴にねじ止めによって接続してもよい。電気的接続を安定して保持できる別の接続方法を採ってもよい。
【００２７】
また、電力取り出しケーブルとケーブルを接続する金属板とは、はんだで接続したが、かしめによって圧着する等、電気的に良好な接続を保持できる方法であれば、どのような方法でもよい。ケーブルを接続する金属板の材質は、接触抵抗が低い金属材料を用いればよい。例えば、電気抵抗が低く、加工性の良好なりん青銅、銅などの金属を用いることができる。
【００２８】
実施の形態２
集電板の端子部における抵抗ロスを低減させる方法について説明する。
図６は本実施の形態における集電板のカソード側の正面図である。集電板３０Ａは、その端子部３５の両面に、厚み１μｍ程度の金属膜５０を形成している。この他の構成は、図２に示した集電板３０と同様である。この金属膜５０により、集電板の端子部３５と電力取り出しケーブルを接続する金属板などとの間の接触抵抗を低減することができる。
【００２９】
図７は集電板のさらに他の例を示す。集電板３０Ｂは、絶縁板と対向する面の実質全面に、厚み数μｍ〜数十μｍ程度の金属膜５１を形成している。この金属膜により、集電板の面内方向の導電性を向上でき、抵抗ロスがさらに低減できる。この場合、金属イオンの溶出による性能低下を防ぐため、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントと接触する箇所には金属膜を形成しないことが望ましい。この例では、各マニホールド孔を囲むＯリングを装着するための溝３７、３８および３９から若干外側に離れた位置までは金属膜を形成していない。金属膜を形成する金属としては、銅やアルミの他、導電性が付与できる素材を用いればよい。膜の形成法としては、例えば蒸着や溶射が利用できるが、所定の厚膜を短時間で形成できる点で溶射が好ましい。その他の構造は、実施の形態１と同様である。
【００３０】
図８は図２または図６の集電板の背面に設置される絶縁板を表す。この絶縁板６０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔６１、燃料ガス用マニホールド孔６２およびクーラント用マニホールド孔６３を有する。
【００３１】
実施の形態３
本実施の形態では、セパレータとは別個の独立した集電板について説明する。
図９はアノード側セパレータの正面図、図１０はそのアノード側セパレータに接する集電板の正面図である。図１２はカソード側セパレータの正面図、図１３はそのカソード側セパレータに接する集電板の正面図である。
【００３２】
アノード側セパレータ１１０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１、燃料ガス用マニホールド孔１１２およびクーラント用マニホールド孔１１３を有し、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔１１２を連絡する燃料ガスの流路１１６を有する。このセパレータ１１０の背面に配置される集電板１２０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２１、燃料ガス用マニホールド孔１２２およびクーラント用マニホールド孔１２３を有する。集電板１２０は、端子部１２５を、セパレータ１１０の燃料ガスのマニホールド孔のうち入口側マニホールド孔（ガスの流れ方向を示す矢印から明らかなように、図では左上の方のマニホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部１２５、およびこれに連なる部分、すなわちセパレータ１１０の前記入口側マニホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域１２６には、電気良導体の被覆層１２７が設けられている。前記の領域１２６は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層１２７を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている。端子部１２５には、電流取り出し用ケーブルに接続するための金属板を取りつける孔１２８を有する。
【００３３】
カソード側セパレータ１３０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１３１、燃料ガス用マニホールド孔１３２およびクーラント用マニホールド孔１３３を有し、カソードと対向する面に、一対のマニホールド孔１３１を連絡する酸化剤ガスの流路１３４を有する。このセパレータ１３０の背面に配置される集電板１４０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１４１、燃料ガス用マニホールド孔１４２およびクーラント用マニホールド孔１４３を有する。集電板１４０は、端子部１４５を、セパレータ１３０の酸化剤ガスのマニホールド孔１３１のうち入口側マニホールド孔（図では右上の方のマニホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部１４５、およびこれに連なる部分、すなわちセパレータ１３０の前記入口側マニホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域１４６には、電気良導体の被覆層１４７が設けられている。前記の領域１４６は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層１４７を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている。端子部１４５には、電流取り出し用ケーブルに接続するための金属板を取りつける孔１４８を有する。
【００３４】
図９および図１０から明らかなように、集電板１２０の端子部１２５の被覆層１２７は、セパレータ板１１０におけるガス流路１１６の入口側に対応する部分まで伸びている。金属膜または金属板からなる被覆層１２７は、炭素材料を主とする他の部分より電気抵抗が小さいから、発電時に端子部１２５から電流が取り出される際、電流密度は前記の部分で高くなる。これによって、セルの電極反応は、ガス流路１１６の入口側において優先的に進行する。同様に、カソード側においても、ガス流路１３４の入口側において優先的に進行する。このようにして各セルでは、ガスの入口側マニホールド孔に近い方で反応により生成する水の量が多くなり、その下流へ供給される反応ガスを加湿することとなる。
【００３５】
図１０および図１３に示されるように、アノード側集電板の端子部１２５とカソード側集電板の端子部１４５が互いに向き合うように、すなわち燃料ガスの入口側マニホールド孔および酸化剤ガスの入口側マニホールド孔を近接して設けるのが好ましい。
【００３６】
上記のセパレータと集電板の組み合わせの変形例を図１５〜１８に示す。
図１５に示すアノード側セパレータ１１０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１１１Ａの位置を変えた他は図９のセパレータ１１０と同様である。このセパレータ１１０Ａの背面に配置される集電板１２０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１２１Ａの位置が異なることおよび被覆層１２７Ａの形状が若干異なる他は図１０の集電板１２０と同様である。
【００３７】
また、図１７に示すカソード側セパレータ１３０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１３１Ａの位置を変えた他は図１２のセパレータ１３０と同様である。このセパレータ１３０Ａの背面に配置される集電板１４０Ａは、酸化剤用マニホールド孔１４１Ａの位置が異なることおよび被覆層１４７Ａの形状が若干異なる他は図１３の集電板１４０と同様である。
ここに示した被覆層１２７、１２７Ａ、１４７および１４７Ａは、実施の形態２で説明した金属膜により形成することができる。しかし、より好ましい実施の形態においては、被覆層は金属板により形成される。
【００３８】
前記の被覆層が金属板で形成され、図９に示されるように、その一部が集電板に積層されるセパレータの投影面積の内側に入り込むようにされるのが好ましい。そのように構成されると、金属板には、スタックの締結荷重がセパレータと集電板との間で荷重される。そうすると金属板はスタックの締結荷重に応じて強固に固定される。金属板は、集電板の端子部をも被覆しているから、端子部に接続されたケーブルにより端子部の根本部にかかる応力を有効に緩和する働きをする。
【００３９】
前記の金属板は、集電板に導電性接着剤やシリコーン接着剤等の弾力性を有する接着剤で固着させるのが好ましい。シリコーン接着剤等の絶縁性接着剤は、集電板と金属板との間の特定領域に介在させ、集電板の特定部分の電流密度を制限するのに便利である。
図１９は集電板１２０の部分１２６に導電性接着剤１２９により金属板１２７を接着した例を示している。このように金属板が接着剤により集電板に固着されると、集電板と金属板の段差がなくなり、端子部の応力緩和にはより有効である。金属板と集電板とを導電性接着剤により接着した場合は、接着剤を用いないものに比較して、集電板の端子部で
３０Ａの電流を取り出すとき、スタック両端の集電板間で約５ｍＶ電圧が高いことが確認された。
【００４０】
実施の形態４
本実施の形態における集電板を図２０及び図２１に示す。
図２０はアノード側の集電板の正面図である。この集電板１２０Ｂは、端子部１２５Ｂおよびこれに連なる部分に被覆層１２７を有しない他は図１０の集電板と同様の構造を有し、図９に示すアノード側セパレータ１１０の背面に配置される。
図２１はカソード側の集電板の正面図である。この集電板１４０Ｂは、端子部１４５Ｂおよびこれに連なる部分に被覆層１４７を有しない他は図１３の集電板と同様の構造を有し、図１２に示すカソード側セパレータ１３０の背面に配置される。
【００４１】
ここに示した集電板は、いずれも炭素材料とバインダーのコンポジット材料の成形体から構成されている。そのため、発電時には、端子部に近いところ、すなわちガスの入口側マニホールド孔の近傍で電流密度が高くなり、実施の形態３と同様に、ガスを加湿する効果が発揮される。
【００４２】
実施の形態５
本実施の形態では、セパレータを兼ねる集電板の例を説明する。
図２２はアノード側セパレータを兼ねる集電板の正面図、図２３はその背面図である。この集電板１５０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１５１、燃料ガス用マニホールド孔１５２およびクーラント用マニホールド孔１５３を有し、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔１５２を連絡する燃料ガスの流路１５６を有する。集電板１５０は、燃料ガス用マニホールド孔１５２のうち入口側のマニホールド孔（図２２において左上の方のマニホールド孔）の近傍に端子部１５５を有し、その背面にはマニホールド孔１５１の近傍まで伸びた被覆層１５７を有する。この被覆層の構成は、集電板の背面にのみ形成されている他は、実施の形態３で説明した集電板１２０などと同様である。ここでは、アノード側の集電板について説明したが、同様に、カソード側セパレータを兼ねた集電板を構成することができることは当業者には容易に理解されるであろう。
【００４３】
実施の形態６
本実施の形態では、芯材となる金属板を埋め込んだ集電板について説明する。
図２４は本実施の形態の集電板の正面図、図２５は図２４のXXV-XXV線断面図である。集電板１６０は導電性炭素材料とバインダーからなる成形材料により芯材金属板を包囲するように成形したものである。集電板１６０は、各一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１６１、燃料ガス用マニホールド孔１６２およびクーラント用マニホールド孔１６３を有し、側面に突出させて端子部１６５を有する。この集電板に埋め込まれた金属板１６７は、外部へ露出する部分がないように、外形は集電板のそれより小さいサイズであり、かつ各マニホールド孔に対応する部分ではマニホールド孔より径の大きい孔を有する。
【００４４】
図２６は、芯材金属板の表面に電気良導体層１６９を形成した例を示す。この層により、成形材料からなる層と芯材金属板との接触抵抗を低減し、集電板の電気特性を向上することができる。そのような層を形成するには、芯材金属板の表面の酸化物をあらかじめ除去し、その上に貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物の層を形成して電気良導体層とすることができる。
黒鉛８０ｗｔ％およびフェノール樹脂２０ｗｔ％の混合物からなる成形用導電性材料を用い、芯材金属板を包み込むようにして集電板を成形した実施例を以下に説明する。
【００４５】
まず、金型に成形用コンパウンドを５０ｇ均一に充填し、型締め圧１００ｋｇｆ／ｃｍ2にて予備圧縮を行った。この時金型温度は７０℃であった。次に、金型を開き、金属板を挿入し、その上から成形用コンパウンドを５０ｇ充填し、金型を型締め圧５００ｋｇｆ／ｃｍ2で締め、温度を１６０℃まで上昇させた。こうして作製した集電板は、導電性成形材料のみで作製した集電板（厚み７ｍｍ）に比較し、強度的に強く、かつ電気抵抗も低いため、集電板厚みを４ｍｍと薄くすることが可能となった。芯材には、厚み２ｍｍの黄銅板を用いた。集電板には、図２４に示すように、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラント用の各一対のマニホールド孔を設けた。マニホールド孔の内面は導電性成形材料で覆われており、芯材金属板と各マニホールド孔を流れる流体が接しないような構造とした。この集電板を用いたスタックを作製し、クーラントに純水を用いて発電テストを１００時間行った。積層セル数は５０セルであった。比較例として黄銅のみの集電板を用いた５０セルのスタックも同様にテストした。その結果、比較例の黄銅製集電板に設けられたクーラント用マニホールド孔の内面には腐食が確認されたが、本実施例の集電板のマニホールド孔の内面には腐食は確認されなかった。クーラントに用いた純水をテスト終了後に分析した。その結果、黄銅製集電板を用いたスタックの冷却水からは１００ｐｐｍの銅イオンと８０ｐｐｍの亜鉛イオンが検出された。一方、本実施例のスタックのクーラントからは金属イオンは検出されなかった。導電性成形材料で金属芯材を覆うことにより、強度および電気導電性を確保し、低コストと不純物の溶出削減を行わせることが可能となる。
【００４６】
以下に、芯材の金属板の表面に、電気良導体層を形成する例を具体的に説明する。
（１）厚さ１ｍｍの黄銅板の表面に、ＲＦ−プレナマグネトロンを用いたスパッタ法により、白金または金の層を１２０Åの厚さに形成した。ターゲットには、白金（９９％）または金（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。スパッタ雰囲気は、４×１０-2TorrのＡｒ（９９．９９９９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗ、成膜速度は１．５μｍ／時間となるようにした。
【００４７】
（２）厚さ１ｍｍのＴｉ板の表面に、ＲＦ−プレナマグネトロンを用いたスパッタ法により、ＴｉＮ層を１μｍの厚さに形成した。ターゲットには、ＴｉＮ（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。スパッタ雰囲気は４×１０-2TorrのＡｒ（９９．９９９９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗ、成膜速度が１．５μｍ／時間となるようにした。得られたスパッタ層は、Ｘ線回折による構造解析により、ＴｉＮと同定された。この方法で得られたＴｉＮ層の比抵抗は、２×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００４８】
（３）厚さ１ｍｍのＡｌ板の表面に、ＲＦ−ダイオードを用いたスパッタ法により、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ層を１．２μｍの厚さに形成した。ターゲットには、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ（９９％）を用い、基板温度は３００℃とした。スパッタ雰囲気は４×１０-2TorrのＡｒ（９９．９９９％）、スパッタ電力は３００Ｗ、成膜速度は１．０μｍ／時間となるようにした。この方法で得られたＴｉ−Ａｌ−Ｎ層の比抵抗は、１×１０-3Ω・ｃｍであった。
【００４９】
（４）金属基板上にｎ型ドープしたＳｉＣ層の形成方法を示す。成膜方法は、１４．５６ＭＨｚの高周波グロー放電分解法を用い、被分解ガスは、水素で希釈したシラン、メタン（ＣＨ4）、ジボラン（ＰＨ3）を、Ｐ／（Ｓｉ＋Ｃ）＝１０原子％となる比率で混合し、全体を１０Torrとし、基板温度３００℃で行った。このとき、成膜時間を制御することで、ｎ型ドープしたＳｉＣ層の膜厚を１０００Åとした。成膜後、ＳｉＣ層の上に、金電極を蒸着し、ＳｉＣ層の比抵抗を測定したところ、５０Ω・ｃｍであった。
【００５０】
（５）厚さ１ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６板の表面に、真空加熱蒸着法によりＰｂ層を１μｍの厚さに形成した。このときの蒸着条件は、１×１０-7TorrのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲気で、基板温度は２００℃とした。次に、このＰｂ蒸着ステンレス鋼板のＰｂ蒸着面に、ＰｂＯ層をスパッタ法により形成した。形成条件は、酸素分圧が２×１０-4TorrのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲気、基板温度を２００℃、成膜速度３μｍ／時間となるようにスパッタ電力を制御した。得られたスパッタ層は、Ｘ線回折による構造解析によりＰｂＯと同定された。この方法で得られたＰｂＯ層の比抵抗は、５×１０-5Ω・ｃｍであった。
【００５１】
また、酸化スズを用いた例では、板厚１ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６表面にＩｎをドープした酸化スズの層を真空電子ビーム蒸着法により０．５μｍの厚さに形成した。蒸着時の真空度は５×１０-6ＴorrのＡｒガス雰囲気で、基板温度は３００℃とした。
以上のようにして表面処理した芯材金属板を埋め込んだ炭素成形材料からなる集電板は、未処理の金属板を用いた集電板に比べて電気特性は向上し、電圧ロスが少なくなることが確認された。
【００５２】
実施の形態７
本実施の形態では、集電板とスタック締結用端板とを一体に成形した例を説明する。この集電板は、電気抵抗を極めて低く保つためにスタック積層方向に板厚を大きくした。集電板は黒鉛板で作製し、その板厚は７０ｍｍであった。この黒鉛板の電気比抵抗は、面方向が１ｍΩ・ｃｍ、厚み方向が１００ｍΩ・ｃｍであった。板厚が７０ｍｍもあるので、集電板を含めたセル積層体をボルト、ナット、ばね等の締結部材によって所定の荷重で締結した。事前に感圧紙で電極への締結面圧を確認したところ、１０ｋｇｆ／ｃｍ2の面圧が電極にかかっており、集電板にクラック、顕著なひずみ等は確認されなかった。その際、ボルトの周囲には厚み０．５ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製テープを巻き、ばねが集電板と接する部位には、ポリフェニレンサルファイド製の厚さ５ｍｍのスペーサを介して締結した。こうして高分子電解質型燃料電池スタックを完成させた。
【００５３】
集電板は、その端部に端子部を備え、そこに電力取り出しケーブルを接続した。端子部の詳細な構造は実施の形態１と同様である。
締結用ボルトの一部を用いてスタックを評価台に固定し、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントを供給して発電させたところ、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2まで電流をとることに問題のないことが確認された。
ここでは、端板を一体にした集電板の例を説明したが、この集電板には、アノードまたはカソードに対向する面にガス流路を設けて、セパレータを兼ねるようにすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による燃料電池スタックの構造の一例を示す一部を断面にした側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における集電板の正面図である。
【図３】同じ集電板の背面図である。
【図４】図２のIV−IV線断面図である。
【図５】集電板へのケーブルの別の接続例を示す要部の斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態２における集電板の正面図である。
【図７】集電板の別の例を示す背面図である。
【図８】集電板と合わせて用いる絶縁板の一例を示す正面図である。
【図９】本発明の実施の形態３におけるアノード側セパレータの正面図である。
【図１０】図９のセパレータ板に組み合わされる集電板の正面図である。
【図１１】図１０のXI−XI線断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３におけるカソード側セパレータの正面図である。
【図１３】図１２のセパレータ板に組み合わされる集電板の正面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV線断面図である。
【図１５】別のアノード側セパレータを示す正面図である。
【図１６】図１５のセパレータに組み合わされる集電板の正面図である。
【図１７】別のカソード側セパレータを示す正面図である。
【図１８】図１７のセパレータに組み合わされる集電板の正面図である。
【図１９】別の集電板の例を示す縦断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態４におけるアノード側集電板の正面図である。
【図２１】本発明の実施の形態４におけるカソード側集電板の正面図である。
【図２２】本発明の実施の形態５におけるアノード側集電板の正面図である。
【図２３】図２２のアノード側集電板の背面図である。
【図２４】本発明の実施の形態６におけるアノード側集電板の正面図である。
【図２５】図２４のXXV-XXV線断面図である。
【図２６】芯材金属板の表面に電気良導体層を形成した例を示す要部の拡大断面図である。
【国際調査報告】
2003088395.tif 000029
2003088395.tif 000030
2003088395.tif 000031
2003088395.tif 000032