(57)【要約】【課題】  集電板の腐食が防止されるとともに、シール性能が向上して、発電性能が向上した燃料電池を得ることを目的とする。【解決手段】  所定出力規模に必要な数だけセル６０を直列に積層して積層体６を構成し、積層体６の積層方向に第１の貫通孔４１が設けられ、集電板２の第２の貫通孔４２と、絶縁板３の第３の貫通孔４３とが、第１の貫通孔４１と連通し、第１〜第３の貫通孔により、積層体６の積層方向に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤等の流体を通流する。第２の貫通孔４２の開口部が、第１の貫通孔４１の開口部および第３の貫通孔４３の開口部より大きくて、第１の貫通孔４１の開口部および第３の貫通孔４３の開口部を包囲する。また、シール部材５が第２の貫通孔４２内に設けられ、積層体６と絶縁板３とで圧接されおり、上記流体から集電板２を隔離するとともに、流体の漏れを封止する。【選択図】        図２
2007213921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極ユニットがセパレータで挟持されたセルが複数積層されてなる積層体と、上記積層体の両端に配設された集電板と、この集電板の外側に配設された絶縁板とが密着固定された燃料電池において、上記積層体は積層方向に第１の貫通孔を有し、上記集電板は、上記第１の貫通孔と連通した第２の貫通孔を有し、上記絶縁板は上記第２の貫通孔と連通した第３の貫通孔を有し、上記第２の貫通孔の開口部が、上記第１の貫通孔の開口部および上記第３の貫通孔の開口部より大きく、上記第１の貫通孔の開口部および上記第３の貫通孔の開口部を包囲し、上記第２の貫通孔内に設けられ、上記第１の貫通孔の開口部および第３の貫通孔の開口部を包囲し、上記積層体と上記絶縁板とで圧接されたシール部材を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
集電板が、積層体端面と略同じ大きさであ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】
シール部材を保持する溝が積層体または絶縁板の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
集電板と積層体との間、および集電板と絶縁板との間の少なくとも一方に、弾性部材が挟持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
積層体が端面に第１の貫通孔の開口部を囲む環状凸部を有するか、または絶縁板が第３の貫通孔の開口部を囲む環状凸部を有し、シール部材が上記環状凸部に設けられ、上記環状凸部の高さが、集電板の厚さより小であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
積層体が端面に第１の貫通孔の開口部を囲む環状凸部を有するか、または絶縁板が第３の貫通孔の開口部を囲む環状凸部を有し、シール部材が上記環状凸部に設けられ、上記環状凸部の高さが、集電板の厚さと弾性部材の厚さとの合計より小であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するもので、特に集電板周辺の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルとセパレータが交互に複数積層された燃料電池本体（積層体）の積層方向両端に、集電プレート（集電板）と絶縁プレート（絶縁板）とフランジプレート（加圧端板）とが順次外側方向に配設され、電池本体と集電プレートの間、集電プレートと絶縁プレートの間、絶縁プレートとフランジプレートの間にガスケットがそれぞれ設けられ、集電プレートとフランジプレートの開口の内周および周縁端付近に高分子材料系のライニングが施され、燃料電池本体、集電プレート、絶縁プレートおよびフランジプレートがボルト等により積層固定され、上記電池本体、集電プレート、絶縁プレートおよびフランジプレート間の密着性を向上させるとともに、集電プレートとフランジプレートの開口部分の耐食性を高めるようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
また、電極ユニットをセパレータで挟持したセルを複数個積層した積層体の積層方向に流体通路（貫通孔）が形成され、この流体通路に流体を給排する給排通路（貫通孔）を有する絶縁性の給排部材と積層体とで集電部材が挟持され、流体通路および給排通路と集電板との間にシール部材が配置され、集電部材の大きさは電極ユニットの電極の大きさと略同じで、シール部材より内側に設けられ、シール部材により集電板を流体からシールしたものがある（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９８８９９号公報（第１頁）
【特許文献２】特許第３７１４０９３号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示すものは、集電板が燃料電池本体全面で挟持されているので、固定に際してセル面全面に面圧が印加される。しかし、流体の供給開口および排出開口が集電板を貫通しているので、集電板の開口部分を高分子材料系のライニング等の耐食性の材料で被覆しても、被覆材が還元性の水素ガスや、酸化性の空気や、冷却媒体等腐食性の高い流体にさらされるため長期にわたる耐久性を保証することが困難であるという課題があった。
特許文献２に示すものは、集電板が電極面の大きさに留められており、流体通路や給排通路にまで伸延しないため流体には触れない構造であるが、燃料電池の組み立てに際して、積層方向の締め付け力が主に集電板の大きさに相当する電極面に印加され、上記流体通路や給排通路の周囲に面圧の偏りが生じて、印加される面圧が弱まり、流体通路や給排通路内の流体がリークするのを防止することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、集電板の腐食が防止され、発電性能が向上した燃料電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、電極ユニットがセパレータで挟持されたセルが複数積層されてなる積層体と、上記積層体の両端に配設された集電板と、この集電板の外側に配設された絶縁板とが密着固定された燃料電池において、上記積層体は積層方向に第１の貫通孔を有し、上記集電板は、上記第１の貫通孔と連通した第２の貫通孔を有し、上記絶縁板は上記第２の貫通孔と連通した第３の貫通孔を有し、上記第２の貫通孔の開口部が、上記第１の貫通孔の開口部および上記第３の貫通孔の開口部より大きく、上記第１の貫通孔の開口部および上記第３の貫通孔の開口部を包囲し、上記第２の貫通孔内に設けられ、上記第１の貫通孔の開口部および第３の貫通孔の開口部を包囲し、上記積層体と上記絶縁板とで圧接されたシール部材を備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
シール部材により、集電板が、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤等の流体により腐食されることが防止できる。また、集電板の大きさを制限する必要がないので積層体のセル面と積層方向に面圧が印加されてシール性能が向上し、燃料電池の発電性能が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、燃料電池の概略構成を示す側面図であり、図２は図１の燃料電池の下端部を切り欠いて、各部材の積層状態を明確にして示す斜視図であり、図３は図１の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図である。
図１〜図３に示すように、本実施の形態の燃料電池は、所定出力規模に必要な数だけセル６０を直列に積層して積層体６を構成するが、上記セル６０は、一対の電極（燃料極と酸化剤極）で電解質を挟んだ電極ユニット６２を、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤の流路を有するセパレータ６１で挟んだもので、固体高分子電解質型燃料電池の場合は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる。
各セパレータ６１の各流路は各々連通して、積層体６の積層方向に第１の貫通孔４１が形成される。また、積層体６の第１の貫通孔４１と、集電板２の第２の貫通孔４２と、絶縁板３の第３の貫通孔４３とは連通して上記第１〜第３の貫通孔内に、積層体６の積層方向（図中矢印で示す。）に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤等の流体を通流させる。
燃料電池の出力は、積層体６の両端部に設けられた集電板２から取り出される。集電板２の外側には絶縁板３、絶縁板３の外側には加圧端板１４が積層され、加圧ロッド１５と加圧ナット１６により積層体６の両端からの面圧が各セル６０に印加されて固定されている。加圧機構は一般的なものを示したが、いかなる加圧構造においても積層体６に面圧が印加される構造は同じである。
【０００９】
特に、本実施の形態の燃料電池においては、図２、図３に示すように、積層体６の第１の貫通孔４１、集電板２の第２の貫通孔４２、および絶縁板３の第３の貫通孔４３において、第２の貫通孔４２の開口部は、第１の貫通孔４１および第３の貫通孔４３の開口部より大きく、第２の貫通孔４２の開口部の投影面内に、第１の貫通孔４１の開口部と第３の貫通孔４３の開口部の投影面が含まれるように、第２の貫通孔４２の開口部が第１の貫通孔４１の開口部および第３の貫通孔４３の開口部を包囲するように構成されている。また、絶縁板３は開口部の外周に沿った環状凸部３１を有するが、環状凸部３１の外周は第２の貫通孔４２の開口部より小さく、第２の貫通孔４２の開口部内に収まる大きさである。
第２の貫通孔４２内には、第１の貫通孔４１の開口部および第３の貫通孔４３の開口部を包囲するようにシール部材５が設けられ、シール部材５は積層体６と絶縁板３の環状凸部３１とで圧接されている。また、環状凸部３１と対向する積層体６の端面、即ち積層体６の末端セル６０のセパレータ６１にはシール部材５を安定に保持する溝１１が形成されている。溝１１は、強度的に強いセパレータ側に設けることにより、強度的に弱い絶縁板３側を平面にすることができるので、面圧印加状態が長期間続くことによる絶縁板の劣化、クラックの発生を防止できる。
【００１０】
図３に示すように、絶縁板３の環状凸部３１の高さ（ｈ１）が、集電板の厚さ（ｈ２）より小さいので、固定に際して上下から受ける面圧を集電板２で支えることになり、積層体６においては、積層セル受圧部９で示される領域に面圧が印加される。また、絶縁板３の環状凸部３１はセパレータ６１との間に間隔を保ち接触しないので、積層体６においては、積層セル非受圧部８で示される領域には面圧が印加されないが、シール部材５が集電板２を上記流体から隔離するとともに、絶縁板３の環状凸部３１とセパレータ６１とで圧接されているので上記積層方向に通流する流体の漏れを封止し、集電板２が上記流体と接触することが防止される。そのため、集電板２として導電性に優れた低コストの金属を使用できるのでコストの低下が可能となる。
また、本実施の形態に係わる集電板２は上記のように構成されているので、外形を積層体８の端面と略同一とすることができ、積層体６のセル６０面全面および積層方向全体に面圧を略均等に印加することができ、セル６０内部のシール部材にも十分面圧が印加され、積層体全体にわたり流体が良好に封止され、高性能な発電性能が得られる。
【００１１】
一般的に、集電板２に用いられる金属圧延板材や絶縁板３に用いられる絶縁材は、比較的厚さ方向のバラツキが大きい素材｛例えば、アルミ２０１７（ＪＩＳ  Ｈ４０００）では厚さが１６〜２２ｍｍの場合、バラツキは０．８ｍｍ以下に規定されている。｝であり、廉価なコストで切削加工して用いる場合、表面粗さを±０．０５ｍｍ程度に抑えることが限界であり、モールド成形加工においては、表面粗さを±０．０５ｍｍ以下に抑えることを目的とした開発が進められている（第１０回燃料電池シンポジウム講演予稿集、燃料電池開発情報センター発行、２００３年、ｐ．１０２）。
そこで、絶縁板３の環状凸部３１の高さ（ｈ１）と集電板２の厚さ（ｈ２）を、ｈ２−ｈ１＞０．０５ｍｍと設計する場合、シール部材５の厚さは、積層前でセパレータ６１側の溝の深さより０．１５ｍｍ以上高くすることが望ましい。この場合、部材を積層する際や固定により面圧が印加されることにより、平均０．１ｍｍ、最低でも０．０５ｍｍ圧縮されれば良いことになる。この圧縮量は溝深さによって異なり、一般機器用Ｏ−リング（ＪＩＳ  Ｂ  ２４０１）の場合は約８〜３０％圧縮されるため、この圧縮量と集電板の厚さ（ｈ２）と絶縁板３の環状凸部の高さ（ｈ１）とに基づいて、シール部材５の厚さ、溝１１の深さを決める。
【００１２】
なお、本実施の形態では絶縁板３に環状凸部３１を設けた場合を示したが、セパレータ６１に環状凸部３１を設けてもよく、環状凸部３１をセパレータ６１と絶縁板３の両方に設けてもよい。
また、図４は、本実施の形態における、別の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図であるが、図３のように絶縁板３に環状凸部３１を設けることなく、図３の環状凸部３１の高さに相当する厚さを加えたシール部材５を単独で用いたもので、図３に示すものと同様の効果を得ることができる。
【００１３】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における、燃料電池端部の概略を示す縦断面図である。
本実施の形態においては、実施の形態１と同様な構成の燃料電池において、セパレータ６１と集電板２との間に、集電板２と略同じ大きさのシート状の弾性部材１３が挟持されているものである。ここで、弾性部材１３はセパレータ６１と集電板２の間に設けるため導電性であり、弾性部材１３の厚さと集電板２の厚さ（ｈ２）の合計（ｈ３）と、絶縁板３の環状凸部３１の高さ（ｈ１）の関係が、ｈ３−ｈ１＞０となるように設ける。このときの弾性部材１３の厚さは面圧を印加した後の平均厚さである。
金属製の集電板２、樹脂などの絶縁材料で成形された絶縁板３などは、剛体であるため、積層時に均一な面接触をしようとすると表面研削等、高コストの精密加工が必要になる。従って、一般的には表面は安価な切削加工や型成形方法を行うが、この場合、一般的に、表面粗さが±０．０５ｍｍとなる。このような表面粗さによる片当りが発生し、印加面圧の偏りが生じることになり、セパレータ６１と集電板２との接触面での片当りは接触抵抗の増大を招き、電池特性の低下が生じることになる。
それに対して、本実施の形態では、弾性部材１３を設けることにより実施の形態１の効果に加えて、集電板２とセパレータ６１の表面粗さを弾性部材１３が吸収して緩衝材となり、良好な接触が得られるため、電気抵抗が低減されるとともに印加面圧の偏りが軽減されるという効果が得られる。
例えば、ｈ３−ｈ１＞０．０５ｍｍとなるように厚さの微調整を行なうには、弾性部材１３として、カーボンペーパー｛商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０９０，東レ（株）製｝、｛商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０６０，東レ（株）製｝）を用いることが望ましい。上記カーボンペーパーは、導電性で、弾性により局所的な凹凸を吸収して緩衝材となり、また、経時的なクリープもほとんどみられない。
【００１４】
なお、弾性部材１３は絶縁板３と集電板２の間に挿入しても良く、この場合は、導電性でなくても良い。絶縁板３と集電板２の間に挿入する弾性部材１３としては、ポリテトラフルオロエチレンまたはエチレンプロピレン共重合体からなる樹脂シート等、比較的柔軟性があるものが用いられ、絶縁板３と集電板２の凹凸の緩和による片当りの解消と上記のように厚みの微調整を容易に行なうことができる。
なお、弾性部材１３は、集電板２とセパレータ６１の間および絶縁板３と集電板２の間の両方に挟持されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における、燃料電池の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１の燃料電池の下端部において、各部材の積層状態を明確にして示す斜視図である。
【図３】図１の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図である。
【図４】本実施の形態１における、別の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２における、燃料電池端部の概略を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
２  集電板、３  絶縁板、３１  環状凸部、４１  第１の貫通孔、４２  第２の貫通孔、４３  第３の貫通孔、５  シール部材、６  積層体、６０  セル、６１  セパレータ、６２  電極ユニット、１１  溝、１３  弾性部材。
【図１】
2007213921.tif 000003
【図２】
2007213921.tif 000004
【図３】
2007213921.tif 000005
【図４】
2007213921.tif 000006
【図５】
2007213921.tif 000007