(57)【要約】【課題】燃料電池のスタック構造を、直接燃料や酸化剤等の流体がエンドプレートや端子板に流れないような構造にして、エンドプレート部分及び端子板部分の腐蝕を防止する。【解決手段】プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配され、その燃料極側に燃料を、その酸化極側に酸化剤を供給することによって発電を行う燃料電池のスタック構造において、燃料電池からの出力を取り出すために設けられる端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材（例えば、フランジつきのパイプ状部材）を設け、前記端子板の一部に前記部材を固定するための構造を設け、前記端子板を燃料及び酸化剤と直接接しない構造としたことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配され、その燃料極側に燃料を、その酸化極側に酸化剤を供給することによって発電を行う燃料電池のスタック構造において、燃料電池からの出力を取り出すために設けられる端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板の一部に前記部材を固定するための構造を設け、前記端子板を燃料及び酸化剤と直接接しない構造としたことを特徴とする燃料電池スタック構造。
【請求項２】
前記部材がフランジつきのパイプ状部材であり、前記パイプ状部材が前記端子板を貫通し、前記フランジ部を介して前記端子板がセパレータ板に押し当てられる構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項３】
エンドプレートの一部に前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項４】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と共に冷却水の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板、前記エンドプレートの一部に前記部材を固定するための構造を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項５】
前記端子板及び前記エンドプレートと前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材との間で電気的な絶縁が取られていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項６】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材に、それぞれの流体の漏れを防止するためのパッキング構造を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項７】
前記端子板が、銅若しくはアルミニウム又はこれらの合金製であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項８】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材が、耐食金属製又は樹脂製であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配され、その燃料極側に水素ガスや各種の有機物を含有する溶液を供給し、その酸化極に空気等の酸化剤を供給する燃料電池のスタック構造に関するものである。
また、さらに詳しくは、上記燃料電池のエンドプレート部分及び端子板部分の燃料や酸化剤、排出物による腐蝕を防止し、耐久性に優れた燃料電池スタック構造を得ようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。特にプロトン導電性高分子固体電解質膜を電解質に用いた高分子固体電解質型燃料電池は、運転温度が低く、またコンパクトなシステム構成が可能なことから、移動体用電源、家庭用コジェネレーション電源、携帯用電源として有望である。
【０００３】
高分子固体電解質型燃料電池には燃料に水素ガスを用いるＰＥＦＣと呼ばれるものや、燃料にメタノール水溶液を用いるＤＭＦＣと呼ばれるものがあるが、これらの構造はほとんど同じである。
【０００４】
この基本となる燃料電池スタック構造は、電解質膜に触媒層とガス拡散層を接合したＭＥＡを燃料及び空気を供給するための燃料極セパレータ、空気極セパレータで挟み込み、さらにこの外側に必要に応じて冷却水を流して電池の冷却を行うための冷却板を設けた構造であり、これらを複数枚積層した集合電池の外側に、電流を取り出すための負極端子板と正極端子板が設けられる。さらにこれらの集合体の接触抵抗を小さくするとともに、燃料、空気、冷却水の漏れを防止するため、エンドプレートが設けられ、２枚のエンドプレートをボルト／ナットもしくは締め付け板によって締め付け、これらを一体化させることが行われてきた。
【０００５】
これらの端子板には、燃料、空気若しくは冷却水を電池内に供給又は排出するための構造が設けられ、これらの構造を通じて、燃料、空気、冷却水が電池内部に供給されていた。固体高分子型燃料電池では電池内に金属イオンや、不純物イオンが混入すると特性が低下することが知られている。したがって、端子板の材質には、これらの流体に対して、腐蝕しにくく、また不純物の混入が少ないことが求められた。
【０００６】
一方、端子板はなるべく小さな接触抵抗でセパレータ板と直接接触し、さらに、外部に電流を取り出す必要があるため、ニッケル、銅、ステンレスなどの金属材料が用いられ、さらに接触抵抗を下げる目的から金、白金等の貴金属が表面にコーティングされていた。
【０００７】
さらに、燃料電池に供給される燃料及び空気と燃料電池から排出される排燃料、排空気又は冷却水は、この端子板を貫通してセパレータ板に供給される構造となっているため、従来の燃料電池スタック構造ではこれらの流体とエンドプレート部分及び端子板の一部は必ず直接接する必要があった。
【０００８】
特に、燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール燃料電池では、燃料が３％程度のメタノール水溶液であり、さらに排燃料中には微量のギ酸が混入するため弱酸性となり、エンドプレート部分及び端子板部分の腐蝕の問題は一層深刻であった。
【０００９】
また、上記のような通常の腐蝕のみならず、燃料電池の発電にともなって、電気化学的に腐蝕が発生する現象“所謂、電蝕”も発生することが知られており、これに対する対策も必要と考えられていた。
【００１０】
上記の対策として、セパレータ面から絶縁されたフランジ部分までの燃料若しくは排燃料、空気若しくは排空気の流体流路部分の絶縁長さを大きくとり、電池本体及び配管系における電蝕を防止する方法（特許文献１参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１６４０７５号公報
【００１１】
また、燃料電池スタックを、電極板を介して、一対のエンドプレートで挟持するように構成されている燃料電池において、エンドプレートには、燃料供給・排出通路、酸化剤供給・排出通路が形成され、燃料電池スタックに含まれる各セパレータには、各通路にそれぞれ連通して接続されるインナーチューブが取り付けられている燃料電池（特許文献２参照）も公知であるが、このインナーチューブは、セパレータ毎に燃料及び酸化剤を供給するために設けるものであり、エンドプレート部分や電極板（端子板）部分の燃料や酸化剤による腐蝕を防止する目的で設けるものではない。
【特許文献２】特開２００４−７１４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、燃料電池の端子板における腐蝕に対して、直接燃料や酸化剤等の流体がエンドプレートや端子板に流れないような構造にして防ごうとするものであり、上記の先行技術が目的としている絶縁されたフランジ部分ではなく、絶縁されていないエンドプレート部分及び端子板部分の腐蝕を防止しようとするものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、端子板の燃料や酸化剤等の流体を流すための部分と電気を集電して端子として機能する部分を分離して、金属材料が直接流体と接することを防止し、これによって端子板の腐蝕を防止し、ひいては耐久性に優れた燃料電池スタック構造を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、発明者らは、燃料電池スタック構造について検討を行い、有効な方法を見出した。
すなわち、プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配され、その燃料極側に燃料を、その酸化極側に酸化剤を供給することによって発電を行う燃料電池のスタック構造において、燃料電池からの出力を取り出すために設けられる端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板の一部に前記部材を固定するための構造を設け、前記端子板を燃料及び酸化剤と直接接しない構造としたことを特徴とする燃料電池スタック構造である。
なお、燃料としては、水素ガス、又はメタノール等の有機物を含有する溶液を使用することができ、酸化剤としては、空気等の酸素を含有するガスを使用することができる。
【００１５】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材がフランジつきのパイプ状部材であり、前記パイプ状部材が前記端子板を貫通し、前記フランジ部を介して前記端子板がセパレータ板に押し当てられる構造であることが好ましい。
【００１６】
前記燃料電池スタック構造においては、燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造がエンドプレートによって締め付けられ固定される場合がある。
その場合には、エンドプレートの一部に前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造を設ける。
【００１７】
前記燃料電池スタック構造においては、前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と共に冷却水の供給や排出を行うための部材を設ける場合もある。その場合には、燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と同様に、前記端子板、前記エンドプレートの一部に冷却水の供給や排出を行うための部材を固定するための構造を設ける。
【００１８】
さらに、前記端子板及び前記エンドプレートと前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材との間で電気的な絶縁が取られていることが好ましく、それぞれの流体の漏れを防止するためのパッキング構造が必要となる場合がある。
【００１９】
上記により、本発明では、燃料、酸化剤、冷却水と端子板やエンドプレートが直接接することがないため、端子板やエンドプレートの腐蝕や不純物の混入が問題とならない。そこで、これらと直接接する部材にのみ耐食性をもたせれば良いことになる。従って、端子板の材質には銅やアルミニウム、これらの合金といった抵抗は小さいものの比較的腐蝕しやすい材料を用いることができ、エンドプレートの材質には耐食性を考慮せず機械的強度のみを考慮した材料を用いることができる。
【００２０】
また、燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材には耐食性が要求される。このため、これらの部材は、例えば、ステンレス等の耐食金属材料や樹脂材料で構成される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、燃料電池の端子板の腐蝕防止手段として有効であり、燃料電池の耐久性を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、燃料及び空気の供給や排出を行うための部材の構造、材質等は適宜変更可能なものである。
図１に、本発明の燃料電池スタック構造の一例を示す。
エンドプレート（１）及び端子板（２）には、燃料の供給を行うための部材（３）及び空気の供給を行うための部材（４）の一部が貫通するように貫通口（５）及び（６）が設けられ、また、ボルトを固定するための貫通口（７）もエンドプレート（１）の周囲に設けられている。燃料及び空気の供給を行うための部材（３）及び（４）はフランジつきのパイプ状であり、パイプ状部材（３）及び（４）が端子板（２）及びエンドプレート（１）を貫通し、そのフランジ部を介して端子板（２）がセパレータ板（８）に押し当てられ、さらに、エンドプレート（１）によって押さえつけられる構造となっている。この実施例では端子板（２）は接触抵抗を低下させかつ該抵抗を低く維持するために金メッキしたＡｌ合金製であり、燃料及び空気の供給を行うための部材（３）及び（４）は樹脂製である。また、フランジ部が当接する端子板（２）の表面には段部を設けて端子板（２）とセパレータ板（８）とが密接するようにすると共に、フランジ部とセパレータ板（８）との間にはシール用リング（３ａ）及び（４ａ）を設けてリーク防止を図るようにする。
なお、図示されていない燃料及び空気の排出を行うための部材も、同様の構造及び材質のものである。
【００２３】
また、パッキングを兼ねたシリコン製の絶縁板（９）によって端子板（２）とエンドプレート（１）とが絶縁されるように接続されている。
なお、この実施例では冷却水を流すための部材や冷却板は用いていない。
【００２４】
本発明による燃料電池スタック構造の断面を図２に示す。
フランジつきのパイプ状の燃料及び空気の供給を行うための部材（３）及び（４）が端子板（２）によってセパレータ板（８）に押し当てられ、絶縁板（９）がエンドプレート（１）によって端子板（２）に押し当てられ、これによって、スタックが構成されている。
【００２５】
比較のために、従来の燃料電池スタック構造の一例を図３に示す。
燃料及び空気の導入口（１０）を持った端子板（１１）が用いられており、耐食性の点から、ステンレス等の耐食性材料で構成されていた。
【００２６】
このような従来の端子板（１１）は、電池の運転温度条件下で燃料や燃料廃液、空気や排空気と直接接するためこれらによる腐蝕の影響を避けることができなかった。
【００２７】
次に、従来の燃料電池スタック構造の断面を図４に示す。
燃料及び空気の導入口（１０）が直接端子板（１１）に接している様子がわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料電池スタック構造の組み合わせ図である。
【図２】本発明の燃料電池スタック構造の断面図である。
【図３】従来の燃料電池スタック構造の組み合わせ図である。
【図４】従来の燃料電池スタック構造の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    エンドプレート
２    端子板（本発明）
３    燃料の供給を行うための部材
４    空気の供給を行うための部材
５    燃料の供給を行うための部材の貫通口
６    空気の供給を行うための部材の貫通口
７    ボルトを固定するための貫通口
８    セパレータ板
９    絶縁板（パッキング）
１０  燃料及び空気の導入口
１１  従来の端子板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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