(57)【要約】【課題】  セルスタックのセル面剛性アップと軽量化の両方を同時に達成することができる、燃料電池用導電板の提供。【解決手段】（１）  セパレータ１８を有するセルを積層した燃料電池スタック２３のセル積層方向の途中に複数介在された導電性をもつ燃料電池用導電板であって、少なくとも一部がハニカム構造とされている燃料電池用導電板５０。ハニカム構造とすることによって、単セルよりも高剛性でかつ中実板より軽量化されている。（２）  燃料電池用導電板はセルの発電部に当接しない外周部を有し、該外周部の少なくともマニホールド周囲部が電気絶縁材から構成されている。（３）  燃料電池用導電板の前記ハニカム構造の複数の目の一部の目には導電性材料５５が充填されている。（４）  複数の燃料電池用導電板のうち燃料電池スタックの両端に位置する燃料電池用導電板がターミナルとして利用されている。【選択図】        図１
2005310458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを有するセルを積層した燃料電池スタックのセル積層方向の途中に複数介在された導電性をもつ燃料電池用導電板であって、少なくとも一部がハニカム構造とされている燃料電池用導電板。
【請求項２】
前記セパレータはメタルセパレータである請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項３】
前記セパレータは弾性材より形成されたセパレータである請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項４】
前記燃料電池用導電板は、少なくとも一部がハニカム構造であることによって、単セルよりも高剛性でかつ導電板が中実板である場合に比べて軽量化されている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項５】
前記ハニカム構造の目は燃料電池用導電板の厚さ方向を向いている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項６】
前記燃料電池用導電板はセルの発電部に当接しない外周部を有し、該外周部の少なくともマニホールド外周部が電気絶縁材から構成されている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項７】
前記燃料電池用導電板はマニホールドを有し、該マニホールドの内面に電気絶縁材のコーティングが施されている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項８】
前記燃料電池用導電板の前記ハニカム構造の複数の目の一部の目には導電性材料が充填されている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【請求項９】
複数の燃料電池用導電板のうち燃料電池スタックの両端に位置する燃料電池用導電板がターミナルとして利用されている請求項１記載の燃料電池用導電板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックのセル積層方向の途中に介装される燃料電池用導電板に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（セル）、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを重ね合わせたものから構成される。複数のセルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
セパレータが薄板金属のメタルセパレータからなる場合、セルスタックは軽量化のためにセパレータの厚さを薄くしていくと、面剛性が不足してくる。電極に加わる面圧が不均一になり、面圧が低過ぎる部位では性能低下が生じ、面圧が高過ぎる部位では耐久性不足が生じる原因となる。他方、面剛性を上げるためにセパレータの厚さを上げるとセルの重量増を招く。
【０００３】
特開２００２−１５１１３６号公報は、メタルセパレータを含むセルを積層して構成されたセルスタックにおいて、複数セル毎に中実の金属製矯正プレートを設けることを開示している。
しかし、特開２００２−１５１１３６号公報の中実の金属製矯正プレートを用いてセルスタックのセル面剛性の不足を抑制しようとすると、セルスタックの重量増を招いてしまい、セルスタックの剛性と軽量化の両立が困難であった。
【特許文献１】特開２００２−１５１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題点は、従来セルスタックにおける、セル面剛性アップとセルスタック軽量化の両方を同時に達成することが困難であるという問題である。
【０００５】
本発明の目的は、セルスタックのセル面剛性アップと軽量化の両方を同時に達成することができる、燃料電池用導電板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  セパレータを有するセルを積層した燃料電池スタックのセル積層方向の途中に複数介在された導電性をもつ燃料電池用導電板であって、少なくとも一部がハニカム構造とされている燃料電池用導電板。
（２）  前記セパレータはメタルセパレータである（１）記載の燃料電池用導電板。
（３）  前記セパレータは弾性材より形成されたセパレータである（１）記載の燃料電池用導電板。
（４）  前記燃料電池用導電板は、少なくとも一部がハニカム構造であることによって、単セルよりも高剛性でかつ導電板が中実板である場合に比べて軽量化されている（１）記載の燃料電池用導電板。
（５）  前記ハニカム構造の目は燃料電池用導電板の厚さ方向を向いている（１）記載の燃料電池用導電板。
（６）  前記燃料電池用導電板はセルの発電部に当接しない外周部を有し、該外周部の少なくともマニホールド外周部が電気絶縁材から構成されている（１）記載の燃料電池用導電板。
（７）  前記燃料電池用導電板はマニホールドを有し、該マニホールドの内面に電気絶縁材のコーティングが施されている（１）記載の燃料電池用導電板。
（８）  前記燃料電池用導電板の前記ハニカム構造の複数の目の一部の目には導電性材料が充填されている（１）記載の燃料電池用導電板。
（９）  複数の燃料電池用導電板のうち燃料電池スタックの両端に位置する燃料電池用導電板がターミナルとして利用されている（１）記載の燃料電池用導電板。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）〜（５）の燃料電池用導電板によれば、燃料電池用導電板がハニカム構造となっているため、燃料電池用導電板自体の面剛性と（導電板が中実である場合に比べての）軽量化をはかることができ、その結果、セルスタックのセル面剛性アップと軽量化の両方を同時に達成することができる。
上記（６）の燃料電池用導電板によれば、外周部が電気絶縁材から構成されているため、マニホールド部の耐腐食、耐電食性が向上し、マニホールド部の劣化防止をはかることができる。
上記（７）の燃料電池用導電板によれば、燃料電池用導電板はセルの発電部に当接しない外周部を有し、該外周部の少なくともマニホールド周囲部が電気絶縁材から構成されているので、マニホールド部の耐腐食、耐電食性が向上し、マニホールド部の劣化防止をはかることができる。
上記（８）の燃料電池用導電板によれば、ハニカム構造の複数の目の一部の目には導電性材料が充填されているので、金属薄板の蜂の巣型構造にかかわらず、導電性アップがはかられ、性能低下が抑制される。
上記（９）の燃料電池用導電板によれば、複数の燃料電池用導電板のうち燃料電池スタックの両端に位置する燃料電池用導電板がターミナルとして利用される場合は、ターミナルの軽量化がはかられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池用導電板を図１〜図１１を参照して説明する。図中、図１〜図３は本発明の全実施例に適用可能な構造を示し、図４、図５は本発明の実施例１を示し、図６は本発明の実施例２を示し、図７は本発明の実施例３を示し、図８、図９は本発明の実施例４を示し、図１０、図１１は本発明の実施例５を示す。本発明の全実施例に共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例に共通する部分を、図１〜図３、および図４、図５を参照して説明する。
【０００９】
本発明の燃料電池用導電板が装着される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
図１〜図３に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向でもよいし水平方向でもよいし、任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、リブ下にもガスを流通させ拡散させるために拡散層１３、１６が設けられる。
【００１０】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）１９を構成し、複数セルから複数セルモジュール６０を構成する。１以上（望ましくは複数、以下では複数の場合を例にとる）の複数セルモジュール６０をセル積層方向に直列に配置する。その場合、複数の複数セルモジュール６０間に本発明の燃料電池用導電板５０を介在させて、直列に積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ（電気絶縁体）２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、燃料電池スタック（セルスタック）２３を構成する。
【００１１】
ＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８は、たとえば、メタルセパレータ（メタルセパレータのみからなる場合とメタルセパレータと樹脂フレームからなる場合を含む）からなる。メタルセパレータの材料はアルミ、マグネシウム、チタンなどの高導電、軽量金属とすることが望ましい。以下の説明では、セパレータ１８がメタルセパレータからなる場合を例にとるが、セパレータ１８は、メタルセパレータに限定されるものではなく、たとえば、弾性材（たとえば、導電性樹脂）により形成されたセパレータであってもよい。
ＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８のうち、アノード側のセパレータ１８には、ＭＥＡに対向する側に、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード側のセパレータ１８には、ＭＥＡに対向する側に、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。燃料電池のうちガス流路２７、２８とＭＥＡの両方が存在する領域が、セル１９の発電領域を構成する。
【００１２】
セル１９には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成される。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に接続しており、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に接続しており、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に接続しており、冷媒流路２６に冷媒を供給・排出する。
【００１３】
セル１９のＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータ１８同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されている。隣接するセル１９同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されるか、または、ガスケット（ゴムガスケット）によりシールされる。
【００１４】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１５】
軽量化のためにメタルセパレータ１８の板厚を薄くしていくと、セルスタック２３の各セルの面剛性が不足し（セル面内方向と直交する方向に湾曲したり折れ曲がりやすくなる）、電極に加える面圧が不均一になり性能低下や耐久性低下の原因となる。
それを抑制するために、本発明では、図１、図４、図５に示すように、セルスタック２３のセル積層の途中に（たとえば、１０〜２０セル毎に）、単セル１９より高い面剛性（曲げ剛性）をもつ燃料電池用導電板５０を介在させる。複数セルモジュール６０とそれに隣接する複数セルモジュール６０との間には１つの燃料電池用導電板５０が配置される。スタックのセル積層方向各端部にある複数セルモジュール６０では、スタック端部位置に１つの燃料電池用導電板５０が配置されてもよいし、配置されなくてもよい。
複数セルモジュール６０と燃料電池用導電板５０との間は、ゴムガスケットまたは接着剤などによりシールされる。
また、燃料電池用導電板５０とそれに接する単セルとの接続部（接触部）の流路には、流体（冷媒、または燃料ガスや酸化ガスの反応ガス）が供給されてもよいし、あるいは供給されなくてもよい。
高剛性とするために燃料電池用導電板５０を中実金属板から構成するとセルスタックの重量が許容できない程度に増加するので、重量増を抑えるために、本発明では、燃料電池用導電板５０の少なくとも一部（燃料電池用導電板５０の面内方向にはセルの発電領域に対応する部分、燃料電池用導電板５０の厚み方向には導電板５０の両端の平板５２を除いた部分）を金属製（たとえば、アルミ、マグネシウム、チタンなどの高導電、軽量金属製、ただし金属製であれば他の金属材料でもよい）のハニカム部５１から構成する。ここで、「ハニカム」とは「蜂の巣」状のことで、セル積層方向に見た時に蜂の巣状に形成される。ハニカムの壁、およびハニカムの六角形断面の中空の目の軸芯は、セル積層方向にストレートに延びている。
【００１６】
燃料電池用導電板５０は、高剛性をもつように、導電板５０の厚さをセルの厚さ以上としてある。燃料電池用導電板５０は、セルとの接触面積を大きくするために、導電板５０の厚さ方向両端の各々に薄い導電性金属製（たとえば、アルミ、マグネシウム、チタンなどの高導電、軽量金属製、ただし金属製であれば他の金属材料でもよい）平板５２を配置し、２つの平板５２でハニカム部５１を挟んだ構造とすることが望ましい。平板５２とハニカム部５１の接触部は接合（拡散接合）または導電性接着剤により接着される。
【００１７】
本発明の全実施例に共通する部分の作用・効果については、燃料電池用導電板５０の少なくとも一部５１がハニカム構造となっているため、燃料電池用導電板５０自体の面剛性（曲げ剛性）アップと（中実の場合に比べての）軽量化との両方をはかることができ、その結果、セルスタック２３のセル面剛性アップと軽量化の両方を同時に達成することができる。
【００１８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構造、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図４、図５に示すように、各複数セルモジュールのセル積層方向端部の位置に、燃料電池用導電板５０が配置されている。燃料電池用導電板５０は、セル面内方向の全領域で、ハニカム部５１を平板５２で挟んだ導電性サンドイッチ板としてある。電極を押す面は平面であるが、厚さ方向の中央部は軽量で剛性の高いハニカム構造としてある。
本発明の実施例１の作用・効果は、本発明の全実施例に共通な構造の作用・効果と同じである。したがって、セルスタック２３のセル面剛性アップと軽量化の両方を同時に達成することができる。
【００１９】
〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図６に示すように、各複数セルモジュールのセル積層方向端部の位置に、燃料電池用導電板５０が配置されている。燃料電池用導電板５０は、セル面内方向のセル発電領域（ＭＥＡが存在するとともに反応ガスが供給される領域）に対応する領域で、ハニカム部５１を平板５２で挟んだ導電性サンドイッチ板としてあり、発電領域の外側で発電領域を囲む領域およびマニホールド２９、３０、３１を囲む領域で、電気絶縁材板５３（たとえば、中実の樹脂製板）としてある。燃料電池用導電板５０の外周部を電気絶縁材板５３とする理由は、金属イオンによる、電極のコンタミ防止のため、マニホールド２９、３０、３１周囲を非導電性とするためである。
本発明の実施例２の作用・効果については、本発明の全実施例に共通な構造の作用・効果と同じ作用・効果が得られるのに加えて、燃料電池用導電板５０の外周部が電気絶縁材の板５３から構成されているため、マニホールド２９、３０、３１部の耐腐食、耐電食性が向上し、マニホールド部の劣化防止をはかることができる。
【００２０】
〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図７に示すように、各複数セルモジュールのセル積層方向端部の位置に、燃料電池用導電板５０が配置されている。燃料電池用導電板５０は、該板５０を厚さ方向に貫通する孔からなるマニホールド２９、３０、３１を有し、マニホールド２９、３０、３１の内面には電気絶縁材（たとえば、非導電性樹脂）コーティング５４が施されている。このコーティング５４は樹脂シート、樹脂膜をマニホールド２９、３０、３１の内面に接着したものであってもよい。
本発明の実施例３の作用・効果については、本発明の全実施例に共通な構造の作用・効果と同じ作用・効果が得られるのに加えて、燃料電池用導電板５０のマニホールド２９、３０、３１の内面に電気絶縁材のコーティング５４が施されているため、マニホールド２９、３０、３１部の耐腐食、耐電食性が向上し、マニホールド部の劣化防止をはかることができる。
【００２１】
〔実施例４〕
本発明の実施例４では、図８、図９に示すように、各複数セルモジュールのセル積層方向端部の位置に、燃料電池用導電板５０が配置されている。燃料電池用導電板５０は、少なくともセル面内方向のセル発電領域（ＭＥＡが存在するとともに反応ガスが供給される領域）に対応する領域が、ハニカム部５１を平板５２で挟んだ導電性サンドイッチ板としてある。それより外周は、導電性サンドイッチ板であってもよいし、あるいは非導電性樹脂板であってもよい。ハニカム部５１には、ハニカム構造の複数の目の一部の目に、導電性材料５５が充填されている。導電性材料５５は、たとえば導電性ペーストである。
本発明の実施例４の作用・効果については、本発明の全実施例に共通な構造の作用・効果と同じ作用・効果が得られるのに加えて、燃料電池用導電板５０のハニカム部５１のハニカム構造の複数の目の一部の目に、導電性材料５５を充填したので、スタック２３の直流抵抗を低減し、電気的効率を向上することができる。
【００２２】
〔実施例５〕
本発明の実施例５では、図１０、図１１に示すように、セル積層体のセル積層方向端部に位置するターミナル２０（集電板）が、少なくとも一部がハニカム構造とした燃料電池用導電板５０から構成してある。ターミナル２０は、ワイヤハーネスとの接続部５６を有する。この接続部５６は、図１０の例では、燃料電池用導電板５０の面内方向に突出しており、図１１の例では、燃料電池用導電板５０の面内方向と直交する方向に突出している。接続部５６が燃料電池用導電板５０の面内方向と直交する方向に突出する場合は、インシュレータ２１およびエンドプレート２２に接続部５６を挿通させる貫通孔があり、その貫通孔内面と接続部５６とは空隙で絶縁されている。
本発明の実施例５の作用・効果については、本発明の全実施例に共通な構造の作用・効果と同じ作用・効果が得られるのに加えて、ターミナル２０（集電板）を、少なくとも一部がハニカム構造とした燃料電池用導電板５０から構成したので、ターミナル２０の軽量化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の全実施例に適用可能な燃料電池用導電板を組み込んだ燃料電池スタックの側面図である。
【図２】図１の複数セルモジュール部の一部の拡大断面図である。
【図３】図１の複数セルモジュール部のセルの正面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池用導電板とそれが端部に配置された複数セルモジュールの側面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池用導電板の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池用導電板の斜視図である。
【図７】本発明の実施例３の燃料電池用導電板の斜視図である。
【図８】本発明の実施例４の燃料電池用導電板の正面図である。
【図９】本発明の実施例４の燃料電池用導電板の拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施例５の燃料電池用導電板の斜視図である。
【図１１】本発明の実施例５の燃料電池用導電板（接続部の突出方向が図１０の例と異なる場合）の斜視図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド（冷却水マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３３  接着剤（接着剤層）
５０  燃料電池用導電板
５１  ハニカム部
５２  平板                                                                      ５３  電気絶縁材板
５４  電気絶縁材コーティング
５５  導電性材料
５６  接続部
６０  複数セルモジュール
【図１】
2005310458.tif 000003
【図２】
2005310458.tif 000004
【図３】
2005310458.tif 000005
【図４】
2005310458.tif 000006
【図５】
2005310458.tif 000007
【図６】
2005310458.tif 000008
【図７】
2005310458.tif 000009
【図８】
2005310458.tif 000010
【図９】
2005310458.tif 000011
【図１０】
2005310458.tif 000012
【図１１】
2005310458.tif 000013