(57)【要約】【課題】  シンプルな構成で集電板の腐食を抑制できるようにする。【解決手段】  スタック１へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形（Ｕ形）として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタック１におけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セル２と、その外側に配する他端側集電板３ｄとの間に、セパレータ８ａ，８ｂと同様の平面形状を有し、且つ穴加工や溝加工を施していない導電性の板状物１４を介在させるように組み入れる。この導電性の板状物１４により、スタック１の各単セル２に供給して流通させるカソードガス、アノードガス、冷却水と、他端側集電板３ｄとの接触を阻止することで、他端側集電板３ｄに腐食が生じる虞を防止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックへのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタックにおけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セルと、その外側に配する他端側集電板との間に、導電性の板状物を、介在させるように組み入れてなる構成を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の平面形状とした請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の材質とした請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
他端側集電板を、カソード側集電板とした請求項１、２又は３記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電板の腐食を抑制できるようにした固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。
【０００３】
上記固体高分子型燃料電池の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させてＭＥＡ（膜・電極接合体）を形成し、このＭＥＡの両側に、内面側にガス流路を、又、外面側に冷却水流路を設けてなるセパレータを配して単セルを構成する。
【０００４】
更に、図２に示す如く、上記構成としてある単セル２を、所要数積層すると共に、該単セル２の積層体の両側に集電板３と電気絶縁板４を内側から順に配置し、更にその外側に１対のエンドプレート（ホルダ）５を配置した状態にて、該各エンドプレート５同士を、皿ばね等の所要の図示しない締付け手段を介装した締付ボルト６とナット７で締め付けて固定して固体高分子型燃料電池のスタック１を構成するようにしてある。
【０００５】
なお、図示してないが、上記アノード側セパレータのガス流路へのアノードガスの供給と、カソード側セパレータのガス流路へのカソードガスの供給と、各セパレータの冷却水流路への冷却水の供給は、上記カソード側及びアノード側の各セパレータの外周部の所要個所に設けた孔同士を、セル積層方向へ連通するように繋げてそれぞれ形成させるアノードガス用、カソードガス用及び冷却水用の各内部マニホールドを通して行うようにしてある。
【０００６】
ところで、一般に、固体高分子型燃料電池で用いられている上記固体高分子電解質膜のプロトン伝導性能を高く保持するためには、該固体高分子電解質膜を湿潤状態としておく必要があるため、アノードガス及びカソードガスは、加湿した状態で各単セル２へ供給するようにしてある。
【０００７】
そのため、上記固体高分子型燃料電池のスタック１におけるセル積層方向の両端部に設けてある各集電板３では、その内側に隣接する単セル２のセパレータに設けてある所定のガス流路に流通させるようにしてあるアノードガスやカソードガスが接触する個所や、内部マニホールドを流通させるアノードガスやカソードガスが接触する個所に、アノードガスやカソードガス中の水分による局部電池が形成されて腐食が生じてしまう。更に、集電板３にて、その内側に隣接する単セル２のセパレータに設けてある冷却水流路を流通する冷却水が接触する個所や、内部マニホールドを流通させる冷却水が接触している個所にも、冷却水に含まれている種々のイオンのために局部電池が形成されて、腐食が生じてしまうというのが実状である。そのために、上記のような集電板３の腐食を抑えることが望まれてきている。
【０００８】
上記固体高分子型燃料電池における集電板３の腐食を抑制するための手段としては、たとえば、図３に示す如く、固体高分子型燃料電池のスタック１におけるセル積層方向の一端部にてカソード側集電板３ａの内側に隣接する単セル２のカソード側セパレータ８ａを、ＭＥＡ９に面する側面には酸化剤ガス（カソードガス）の流路１０を備える一方、上記カソード側集電板３ａに接する面はフラットな面としてなる構成とし、又、スタック１におけるセル積層方向の他端部にてアノード側集電板３ｂの内側に隣接する単セル２のアノード側セパレータ８ｂを、ＭＥＡ９に面する側面には燃料ガス（アノードガス）の流路１１を備える一方、上記アノード側集電板３ｂに接する面はフラットな面にしてなる構成として、上記各集電板３ａ，３ｂと、その内側に隣接するセパレータ８ａ，８ｂとの間に冷却水の流路が形成されないようにすることで、該各集電板３ａ，３ｂに冷却水が接触する虞を防止できるようにすることが従来提案されている。
【０００９】
更に、固体高分子型燃料電池のスタック１におけるセル積層方向の両端部にて、各エンドプレート５と各電気絶縁板４と各集電板３ａ，３ｂに設けた透孔１３の内側に、電気絶縁材料製の筒状のマニホールド部材１２を挿通させて設けることで、上記各集電板３ａ，３ｂと、酸化剤ガス及び燃料ガスとの接触を防止できるようにすることも考えられてきている。なお、図３において図２に示したものと同一のものには同一符号が付してある。（たとえば、特許文献１参照）。
【００１０】
なお、一般に、単セル２の積層構造を有する燃料電池のスタック１へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式としては、図４（イ）に示すように、上記カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給方向と排出方向が１８０度反転するようにして、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、燃料電池のスタック１におけるセル積層方向の一端側のみで行わせるようにした反流形（Ｕ形）の方式と、図４（ロ）に示すように、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給方向と排出方向が同一方向となるようにして、カソードガス、アノードガス及び冷却水を、燃料電池のスタック１に対しセル積層方向のいずれか一方よりそれぞれ供給して、他方へ排出させるようにした正流形（Ｚ形）の方式が一般に採用されている（たとえば、特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１２６６９号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、固体高分子型燃料電池における集電板の腐食を防ぐために、特許文献１に示された手段を採用するためには、セル積層方向の両端部に位置するカソード側集電板３ａの内側に隣接する単セル２のカソード側セパレータ８ａと、アノード側集電板３ｂの内側に隣接する単セル２のアノード側セパレータ８ｂとを、いずれも集電板３ａ，３ｂとの接触面をフラットな面としてなる構成として、セル積層方向中間部の他の単セル２で用いるセパレータとは異なる特殊形状のセパレータを用いなければならない。
【００１３】
カーボン製のセパレータは、通常、カーボンの粉末を型で押し固めて成形するようにしてあるため、セパレータの両側面の形状に応じた２枚１組の型を必要とするが、上記したように、スタック１におけるセル積層方向の両端部に配する単セル２で用いるセパレータ８ａ，８ｂを、他の単セル２で用いるセパレータとは異なる特殊形状に成形するためには、専用の型を別途用意しなければならないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなる構成の如き特殊形状のセパレータを用いることなく、シンプルな構成で集電板の腐食を抑制できるようにした固体高分子型燃料電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、スタックへのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタックにおけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セルと、その外側に配する他端側集電板との間に、導電性の板状物を、介在させるように組み入れてなる構成とする。
【００１６】
又、上記構成における導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の平面形状とした構成とする。
【００１７】
更に、上記各構成における導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の材質とした構成とする。
【００１８】
上述の各構成において、他端側集電板を、カソード側集電板とした構成とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体高分子型燃料電池によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。  
（１）スタックへのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタックにおけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セルと、その外側に配する他端側集電板との間に、導電性の板状物を、介在させるように組み入れてなる構成としてあるので、該導電性の板状物により、スタックに対してセル積層方向の一端側より供給と排出を行わせるようにしてあるカソードガス、アノードガス及び冷却水が、該スタックのセル積層方向他端側に設けてある他端側集電板に接触する虞を防止できる。よって、該他端側集電板に、上記カソードガスやアノードガス中の水分や、上記冷却水に含まれている種々のイオンに起因する局部電池による腐食が生じる虞を確実に防止することができる。  
（２）上記（１）の効果は、単なる板状としてある導電性の板状物を、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に介在させるというシンプルな構成によって得ることができる。しかも、上記導電性の板状物は、穴加工も溝加工も必要としないため容易に製作することができる。よって、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなるような特殊形状のセパレータを必要とすることなく他端側集電板の腐食を防止できて、固体高分子型燃料電池全体として、集電板に生じる腐食を抑制することが可能になる。  
（３）導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の平面形状とした構成とすることにより、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に上記導電性の板状物を容易に組み込むことができると共に、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと他端側集電板との間で、電流が流れる経路の断面積が変化して、電池性能に影響を与える虞を未然に防止できる。  
（４）導電性の板状物を、単セルにてＭＥＡを挟持してなるセパレータと同様の材質とした構成とすることにより、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に高い導電性を確保できて、上記導電性の板状物がセル積載方向他端部の単セルと他端側集電板との間に介在させることによって電池性能が低下する虞を未然に防止できる。  
（５）他端側集電板を、カソード側集電板とした構成とすることにより、固体高分子型燃料電池全体として、集電板に生じる腐食量の絶対量を減らすのに有利な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明の固体高分子型燃料電池の実施の一形態を示すもので、スタック１へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形（Ｕ形）として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、すべてスタック１におけるセル積層方向の一端側（図上右側）から行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向の他端部（図上左端部）の単セル２と、その外側に配する他端側集電板３ｄとの間に、セパレータ８ａ，８ｂと同様の平面形状を有し、且つカソードガス用、アノードガス用又は冷却水用の流路を形成するための表面の溝加工と内部マニホールドに対応させるための穴加工とを全く施していない導電性の板状物１４を、介在させるように組み入れてなる構成とする。
【００２２】
詳述すると、上記スタック１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させて形成してなるＭＥＡ（膜・電極接合体）９の両側に、内面側にガス流路１０又は１１を、又、外面側に冷却水流路１５を設けてなるセパレータ８ａ，８ｂを配して単セル２を構成し、この単セル２を所要数積層してある。
【００２３】
更に、上記単セル２の積層体には、該各単セル２のセパレータ８ａ，８ｂの外周部所要個所に設けてある孔をセル積層方向に連ねることでカソードガスの供給と排出用、アノードガスの供給と排出用、冷却水の供給と排出用の各内部マニホールド１６が形成されるようにしてある。なお、図１では、図示する便宜上、カソードガスとアノードガスのうち、一方のガスの供給と排出用の内部マニホールド１６のみが示してある。
【００２４】
上記単セル２の積層体のセル積層方向の一端側（図上右側）には、上記各単セル２の積層体に設けてあるカソードガス用、アノードガス用及び冷却水用の内部マニホールド１６と対応する位置に該各内部マニホールド１６とそれぞれ連通させるための貫通孔１７を具備してなるセル積層方向一端側用の一端側集電板３ｃと、電気絶縁板４ａとを内側から順に配置し、更にその外側に、上記カソードガス用、アノードガス用及び冷却水用の内部マニホールド１６にそれぞれ対応するカソードガス供給用及び排出用、アノードガス供給用及び排出用、冷却水供給用及び排出用の各流体の流路１８を備えてなる一端側エンドプレート５ａを配置する。図１では、図示する便宜上、カソードガスとアノードガスのうちの一方のガスの供給と排出用の流路１８のみが示してある。
【００２５】
上記単セル２の積層体のセル積層方向の他端側（図上左側）には、上記穴加工及び溝加工を何ら施していない導電性の板状物１４と、セル積層方向他端側用の他端側集電板３ｄと、電気絶縁板４ｂを内側から順に配置し、更にその外側に他端側エンドプレート５ｂを配置して、上記一端側と他端側の各エンドプレート５ａと５ｂ同士を、図示しない締付手段を介装してなる締付ボルト６とナット７により外側から締め付けて固定してスタック１を構成してある。これにより、上記単セル２の積層体とセル積層方向他端側に配してある他端側集電板３ｄとの間に、上記溝加工も穴加工も施していない単なる平板状の導電性の板状物１４を介在させることで、上記セル積層方向他端側に配置してある他端側集電板３ｄと、上記スタック１内の各単セル２に流通させるカソードガス、アノードガス及び冷却水との接触を完全に遮断することができるようにしてある。
【００２６】
上記導電性の板状物１４は、高い導電性を有し、且つ局部電池による腐食を生じないような材質としてあればよい。具体的には、たとえば、セパレータ８ａ，８ｂと同様の材質であるカーボン製とするようにすればよい。これにより、該導電性の板状物１４の調達を容易なものとすることができると共に、該板状物１４に高い導電性を確保できるため、この板状物１４がセル積載方向他端部の単セル２と他端側集電板３ｄとの間に存在することによる電池性能の低下を防止することができる。
【００２７】
なお、上記スタック１においては、セル積層方向一端側用の一端側集電板３ｃをアノード側集電板３ｃとし、セル積層方向他端側用の他端側集電板３ｄをカソード側集電板３ｄとすることが望ましい。これは、従来の固体高分子型燃料電池を所要時間運転した後、アノード側とカソード側の各集電板に生じた腐食量を調べた結果、電位の影響等により、カソード側集電板の方がアノード側集電板に比して腐食し易いということが経験則として得られているためである。そのため、他端側集電板３ｄをカソード側集電板３ｄとして、該カソード側集電板３ｄと、カソードガス、アノードガス及び冷却水との接触を完全に遮断して、カソード側集電板３ｄの腐食を防止するようにすれば、固体高分子型燃料電池全体として、集電板３ｃ，３ｄに生じる腐食量の絶対量を減らすことができるためである。
【００２８】
以上の構成としてある固体高分子型燃料電池に対してカソードガス、アノードガス、冷却水を適宜供給すると、これら３つの流体は、いずれもスタック１におけるセル積層方向の一端側に配設してあるエンドプレート５ａの流路１８と電気絶縁板４ａとアノード側集電板３ｃを経た後、供給側の内部マニホールド１６を介して各単セル２へ供給され、これにより、該各単セル２にて燃料電池反応が行われて、上記単セル２の積層体のセル積層方向の一端側に設けてあるアノード側集電板３ｃと、単セル２の積層体のセル積層方向の他端側に導電性の板状物１４を介して設けてあるカソード側集電板３ｄに接続した図示しない外部回路へ、発電された電力が取り出される。この際、上記燃料電池反応により各単セル２で発生する熱は、図示しない冷却水によって適宜冷却される。
【００２９】
その後、上記各単セル２にて燃料電池反応に供された後のカソードガス及びアノードガスと、上記各単セル２の冷却に供された後の冷却水は、いずれも排出用の内部マニホールド１６よりスタック１におけるセル積層方向の一端側に配設してあるアノード側集電板３ｃと電気絶縁板４ａとエンドプレート５ａを経て外部へ排出されるようになる。
【００３０】
したがって、上記スタック１におけるセル積層方向の他端側では、導電性の板状物１４にカソードガスやアノードガスや冷却水が接触するとしても、その外側に設けてあるカソード側集電板３ｄは、上記カソードガス、アノードガス、冷却水のいずれとも接触することはない。よって、局部電池により該カソード側集電板３ｄに腐食が生じる虞は確実に防止されるようになる。
【００３１】
なお、上記スタック１を、該スタック１におけるセル積層方向他端側の他端側集電板３ｄがアノード側集電板となるように構成すれば、該アノード側集電板のカソードガス、アノードガス、冷却水との接触を阻止できて、局部電池により該アノード側集電板としての他端側集電板３ｄに腐食が生じる虞を確実に防止することが可能になる。
【００３２】
このように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、スタック１へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形（Ｕ形）として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を行うようにしてあるスタック１におけるセル積層方向の一端側（図上右側）とは反対側となるセル積層方向他端側に設けてある他端側集電板３ｄに、カソードガス、アノードガス及び冷却水が接触する虞を防止できて、該他端側集電板３ｄに局部電池による腐食が生じる虞を確実に防止することができる。
【００３３】
上記他端側集電板３ｄの腐食防止効果は、スタック１におけるセル積層方向他端側端部の単セル２と、その外側に配する他端側集電板３ｄとの間に、単なる板状としてある導電性の板状物１４を介在させるというシンプルな構成によって得ることができる。しかも、上記導電性の板状物１４は、穴加工も溝加工も必要としないため容易に製作することができる。よって、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなるような特殊形状のセパレータを必要とすることなく他端側集電板３ｄの腐食を防止して、固体高分子型燃料電池全体として、集電板３ｃ，３ｄの腐食を抑制することが可能になる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、スタック１へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形（Ｕ形）としてある形式の固体高分子型燃料電池であれば、上記各単セル２のセパレータ８ａ，８ｂにおけるカソードガス、アノードガス、冷却水の流路形状を図示した以外の形状に変更したり、流通方向を変更する等、いかなる形式の固体高分子型燃料電池にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の一形態を示す切断概略側面図である。
【図２】従来の固体高分子型燃料電池の一例の概略を示す側面図である。
【図３】固体高分子型燃料電池における集電板の腐食を抑制するために従来提案されている手段を示す概要図である。
【図４】燃料電池のスタックに対するアノードガス、カソードガス及び冷却水の配流方式を示すもので、（イ）は反流形の方式を、（ロ）は正流形の方式をそれぞれ示す概要図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  スタック
２  単セル
３ｄ  他端側集電板（カソード側集電板）
８ａ，８ｂ  セパレータ
９  ＭＥＡ
１４  導電性の板状物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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