(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層とガス拡散層とを有する電極が電解質膜の両側に配置されるセルと、
セパレータを介して複数の前記セルが積層され、積層された前記複数のセルの外側に配置される一対の集電板と、
前記一対の集電板の外側に配置される一対の絶縁板と、
前記一対の絶縁板の外側に配置される一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートを締結する締結手段と、を備えた燃料電池であって、
前記集電板は、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向する範囲が、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成され、
前記絶縁板は、前記エンドプレートと面接触する第一絶縁板と、前記第一絶縁板が嵌まり込む凹部を有する第二絶縁板とを有し、
前記第二絶縁板は、前記集電板が前記セパレータ側に対して露出可能な開口部を有し、
前記第一絶縁板は、前記セパレータ側に対して押力を付与する押力付与手段を有する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池において、
前記集電板は、前記セパレータと面接触している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された燃料電池において、
前記集電板の前記凸形状は、前記セパレータ側の面に設けられる段差部を有し、
前記段差部は、前記電極の縁部より外側に配置される
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を組み立てる際、燃料電池本体のガス流路および反応面が中央に存在するため周辺部をボルトなどで固定する必要がある。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜と、この両側に配置される燃料極および酸化極とを含むセルを複数備える。燃料極および酸化極は、それぞれ触媒層およびガス拡散層を有する。セル同士ならびにセルを構成する各要素の密着度合いが燃料電池の性能に大きく影響していることから、密着度合いを向上させた燃料電池が種々検討されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、縁部から中央部に向け漸次厚くされて、固体高分子膜との対向面に膨らみ部が形成されたカソード側集電板およびアノード側集電板を備える燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６４３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池では、燃料極および酸化極の面全体に亘り均一に荷重を付与することできず、密着度合いの不均一により発電効率を低下させてしまう可能性があった。
【０００６】
以上のことから、本発明は、上述したような課題を解決するために為されたものであって、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させ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】
前述した課題を解決する第１の発明に係る燃料電池は、触媒層とガス拡散層とを有する電極が電解質膜の両側に配置されるセルと、セパレータを介して複数の前記セルが積層され、積層された前記複数のセルの外側に配置される一対の集電板と、前記一対の集電板の外側に配置される一対の絶縁板と、前記一対の絶縁板の外側に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを締結する締結手段と、を備えた燃料電池であって、前記集電板は、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向する範囲が、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成され、前記絶縁板は、前記エンドプレートと面接触する第一絶縁板と、前記第一絶縁板が嵌まり込む凹部を有する第二絶縁板とを有し、前記第二絶縁板は、前記集電板が前記セパレータ側に対して露出可能な開口部を有し、前記第一絶縁板は、前記セパレータ側に対して押力を付与する押力付与手段を有することを特徴とする。
【０００８】
前述した課題を解決する第２の発明に係る燃料電池は、第１の発明に係る燃料電池において、前記集電板は、前記セパレータと面接触していることを特徴とする。
【０００９】
前述した課題を解決する第３の発明に係る燃料電池は、第１または第２の発明に係る燃料電池において、前記集電板の前記凸形状は、前記セパレータ側の面に設けられる段差部を有し、前記段差部は、前記電極の縁部より外側に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させることができる。これにより、密着度合いの均一化することができ、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池が有する燃料電池本体の概略構成図である。
【図２】前記燃料電池本体が有する集電板の説明図であって、図２（ａ）にその平面を示し、図２（ｂ）に図２（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面を示す。
【図３】前記燃料電池本体が有する絶縁板の展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の主な実施形態に係る燃料電池について、以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１４】
［主な実施形態］
本発明の主な実施形態に係る燃料電池について、図１〜図３に基づいて説明する。
【００１５】
本実施形態に係る燃料電池は、供給された燃料（例えば、水素）および空気が内部で化学反応して発電する燃料電池本体を有する。燃料電池本体１００は、図１に示すように、固体高分子膜１１と、固体高分子電解質膜１１の両側にそれぞれ配置される燃料極１３および酸化極１７とで構成されるセル１０を有する。燃料極１３は、固体高分子電解質膜１１側に配置される触媒層１４と、固体高分子電解質膜１１と反対側をなす触媒層１４の表面側に形成されるガス拡散層１５とを有する。酸化極１７は、固体高分子電解質膜１１側に配置される触媒層１８と、固体高分子電解質膜１１と反対側をなす触媒層１８の表面側に形成されるガス拡散層１９とを有する。
【００１６】
セル１０がセパレータ２１を介して複数積層され、外側からセパレータ２１，２１で挟まれて、セル積層体２０をなしている。セル積層体２０は、その両側から集電板４０，４０および絶縁板５０，５０を介してエンドプレート６０，６０で挟まれ、これらがボルト７１およびナット７２の締結具（締結手段）で一体にまとめられている。なお、クーラントガスケット２２は、セパレータ２１とセル１０の間およびセパレータ２１と集電板５０の間に配置される。これにより、内部から外部へのガス漏れが防止される。
【００１７】
集電板４０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、集電板本体４１とバスバー４２とを有する。バスバー４２は、集電板本体４１の一方の側面部（裏面部）４１ｂに接続して設けられる。バスバー４２の先端側には固定穴４２ｄが設けられている。この固定穴４２ｄにリード線（図示せず）を図示しないボルトおよびナットで固定することで、燃料電池本体１００の内部で得られた電気をこの外側へ取り出し可能となる。
【００１８】
集電板本体４１は、平面視で長方形状をなしている。集電板本体４１は、他方の側面部（表面部）４１ａ側に設けられた突出部４３を有する。すなわち、集電板本体４１と突出部４３とで凸形状を形成する。突出部４３は、積層したときに燃料極１３および酸化極１７の触媒層１４，１８（反応面）と対向する箇所に配置される。突出部４３の表面部４３ａは、平面をなしている。突出部４３の厚さｔ２は、全体に亘り同じ大きさである。なお、突出部４３の厚みｔ２は、集電板本体４１の厚みｔ１より少ないことが好ましい。突出部４３は、燃料極１３および酸化極１７の触媒層１４，１８（反応面）よりも広い形状をなしている。よって、突出部４３が集電板本体４１に設けられてなる段差部４４は、積層したときに燃料極１３および酸化極１７の反応面よりも外側に配置されることになる。
【００１９】
絶縁板５０は、図１，３に示すように、集電板４０を介してセル積層体２０の外側に配置される。絶縁板５０は、第一絶縁板本体５１と第二絶縁板本体５２とを有する。第一絶縁板本体５１は、略直方体形状をなしている。第一絶縁板本体５１は、一方の側面部（表面部）５１ａ側に設けられ、集電板４０のバスバー４２を嵌め込み可能な凹部５１ｇａを有する。第一絶縁板本体５１は、積層したときに、集電板本体４１の縁部（外周部）４１ｃの外側を囲う位置に設けられた液状ガスケット溝５１ｇｂを有する。この液状ガスケット溝５１ｇｂに液状ガスケット（図示せず）を入れることにより、第二絶縁板本体５２との間にて、液状ガスケット溝５１ｇｂで囲まれる領域内がシールされることになる。なお、第一絶縁板本体５１の上端部５１ｃａ近傍および下端部５１ｃｂ近傍には、ボルト７１の軸部７１ｂが挿通可能なボルト孔５１ｄａ，５１ｄｂがそれぞれ設けられている。また、第一絶縁板本体５１の上端部５１ｃａ近傍および下端部５１ｃｂ近傍の横方向中央には、位置決め孔５１ｄｃ，５１ｄｄがそれぞれ設けられている。
【００２０】
第一絶縁板本体５１は、上下方向中央に設けられ、表面部５１ａおよび裏面部（他方の側面部）５１ｂを貫通するボルト孔５１ｋを有する。ボルト孔５１ｋは、詳細につき後述する集電板４０を押圧する押圧具（押力付与手段）であるボルト５３の軸部５３ｂのネジ部と噛み合い可能になっている。ボルト孔５１ｋは、左右方向で２箇所設けられている。
【００２１】
第二絶縁板本体５２は、凹部５２ｆおよび開口部５２ｅを有する。凹部５２ｆは、第一絶縁板本体５１側（エンドプレート側）の側面部（裏面部）５２ｂに設けられる。凹部５２ｆは、第一絶縁板本体５１を嵌め込み可能な形状をなしている。開口部５２ｅは、第二絶縁板本体５２における一方の側面部（表面部）５２ａと他方の側面部（裏面部）５２ｂとを連通している。第二絶縁板本体５２の上端部５２ｃａ近傍および下端部５２ｃｂ近傍には、第一絶縁板本体５１のボルト孔５１ｄａ，５１ｄｂと対応し、ボルト７１の軸部７１ｂが挿通可能なボルト孔５２ｄａ，５２ｄｂがそれぞれ設けられている。また、第二絶縁板本体５２の上端部５２ｃａ近傍の横方向中央には、第一絶縁板本体５１の位置決め孔５１ｄｃと対応し、位置決め孔５２ｄｃが設けられている。第二絶縁板本体５２の下端部５２ｃａ近傍の横方向中央には、第一絶縁板本体５１の位置決め孔５１ｄｄと対応し、上端部５２ｃａ近傍の横方向中央と同様、位置決め孔（図示せず）が設けられている。
【００２２】
第二絶縁板本体５２は、さらに、側部に設けられたフランジ部５２ｉ，５２ｉを有する。フランジ部５２ｉには、燃料ガスおよび酸化ガスおよび水のそれぞれが流通する燃料ガス通路５２ｈａおよび酸化ガス通路５２ｈｂおよび水通路５２ｈｃが設けられている。フランジ部５２ｉの側端部５２ｃｃ近傍には、ボルト７１の軸部７１ｂが挿通可能なボルト孔５２ｄｃがそれぞれ設けられている。なお、第二絶縁板本体５２とエンドプレート６０との間には、燃料ガス通路５２ｈａおよび酸化ガス通路５２ｈｂおよび水通路５２ｈｃに対応してＯリング５４がそれぞれ配置される。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスおよび水の漏れが防止される。
【００２３】
上述した第一絶縁板本体５１および第二絶縁板本体５２を有する絶縁板５０を用いることで、集電板本体４１の他方の側面部（表面部）４１ａ側に設けられた突出部４３の表面部４３ａがセパレータ２１側に対して露出して配置されることになる。また、治具により、第一絶縁板本体５１のボルト孔５１ｋに噛み合うボルト５３の軸部５３ｂの先端部５３ｂａが第一絶縁板本体５１から突出する突出量を調整することで、集電板４０の突出部４３によりセル積層体２０の側面部を押す力の大きさを調整することができる。すなわち、セル積層体２０の各部材を面方向で均一に接触させる力を調整することができる。
【００２４】
したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、集電板４０は、燃料極１３および酸化極１７のガス拡散層１５，１９と集電板４０とが対向する範囲が、燃料極１３および酸化極１７のガス拡散層１５，１９と集電板４０とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成されることにより、従来と同じ大きさの締結力で締結しても、隣接する部材の隙間が小さくなる。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが燃料極１３および酸化極１７にて効率良く反応することになり、発電効率を向上させることができる。
【００２５】
集電板４０の突出部４３は、セパレータ２１と面接触することにより、隙間による発電効率の低下を抑制することができる。
【００２６】
集電板４０の前記凸形状は、セパレータ２１側の面に設けられる段差部４４を有し、段差部４４が燃料極１３および酸化極１７の縁部（触媒層１４，１８の縁部１４ｃ，１８ｃ）より外側に配置されることにより、内部へ供給する燃料ガスおよび酸化ガスや、内部から排出する燃料ガスおよび酸化ガスなどが流通する空間を確保することができ、圧力損失の低下を抑制することができる。
【００２７】
絶縁板５０は、第一絶縁板本体５１と、第一絶縁板本体５１が嵌め込まれる第二絶縁板本体５２とを有し、第二絶縁板本体５２は、集電板本体４１がセパレータ２１側に対して露出可能な開口部５２ｅを有し、第一絶縁板本体５１は、セパレータ２１側に対して押力を付与するボルト５３を有することにより、集電板４０に対しセパレータ２１側へ押す力を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明に係る燃料電池によれば、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させることができるので、電池産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０    セル
１１    固体高分子電解質膜
１３    燃料極
１４      触媒層
１４ｃ      縁部
１５      ガス拡散層
１７    酸化極
１８      触媒層
１８ｃ      縁部
１９      ガス拡散層
２０    セル積層体
２１    セパレータ
２２    クーラントガスケット
４０    集電板
４１    集電板本体
４１ａ    側面部
４１ｂ    側面部
４１ｃ    縁部
４２    バスバー
４３    突出部
４４    段差部
５０    絶縁板
５１    第一絶縁板本体
５１ａ    側面部
５１ｂ    側面部
５１ｇａ  凹部
５１ｇｂ  液状ガスケット溝
５１ｋ    ボルト孔
５２    第二絶縁板本体
５２ａ    側面部
５２ｂ    側面部
５２ｅ    開口部
５２ｆ    凹部
５２ｉ    フランジ部
５２ｈａ  燃料ガス通路
５２ｈｂ  酸化ガス通路
５２ｈｃ  水通路
５３    ボルト（押圧具）
５３ａ    ヘッド部
５３ｂ    軸部
５３ｂａ    先端部
５４    Ｏリング
６０    エンドプレート
６０ｈ    ボルト孔
７１    ボルト
７２    ナット
１００  燃料電池本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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