JP2008004292A - 燃料電池用集電板 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池スタックからの電力を、端部の燃料電池セルから集電する燃料電池用集電板において、燃料電池用集電板の有する電力取り出し部の付近に、電流が集中するのを抑制すること。
【解決手段】燃料電池用集電板５（５Ａ）は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池スタックからの電力を、端部の燃料電池セルから集電する。燃料電池用集電板５（５Ａ）は、電力取り出し部５１を有すると共に、面内方向における抵抗値が、前記電力取り出し部５１から離れる程、小さくなる。燃料電池用集電板５（５Ａ）は、例えば、抵抗値の異なる複数個の部材７０を組み合わせることによって得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池スタックからの電力を、端部の燃料電池セルから集電する燃料電池用集電板に関する。

プロトン伝導性の電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体（Membrane-Electrode Assembly, ＭＥＡ）を用いて発電する燃料電池が知られている。ＭＥＡに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素）を供給し、これらのガスの電気化学反応により、電気が発生する。なお、この電気化学反応は水の生成を伴う。この種の燃料電池は、１枚のＭＥＡを含む燃料電池セルを、複数枚積層した燃料電池スタックの状態で用いられる。

燃料電池スタックは、更に燃料電池セルの積層方向における両端面に、導電性材料からなる１対の集電板を備える。燃料電池スタックの電力は、集電板から取り出される。集電板は、電力取り出し部を有している。この電力取り出し部には導線等が接続され、この導線等を通して電気が外部へ取り出される（例えば、特許文献１）。

特開２００５−２８５３９９号公報

従来の集電板は、燃料電池スタックからの電力を、面内において均一に集電することが出来ない。集電板は、電力取り出し部の付近に電子（電流密度）が集中した状態で集電を行う。その為、集電板と隣接する燃料電池セルには、必然的に、偏った電子の密度（電流密度）が生じる。即ち、この燃料電池セルでは、ＭＥＡ上で上記電気化学反応が不均一に起こることになる。すると、反応により生成した水（生成水）が場合により、燃料電池セル内に局所的に溜まり、ＭＥＡに燃料ガスや酸化ガスを供給する為の流路等を塞いでしまうことがある。

本発明の目的は、燃料電池用集電板の電力取り出し部の付近に、電力が集中した状態で集電することを抑制することである。

本発明に係る燃料電池用集電板は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池スタックからの電力を、端部の燃料電池セルから集電する燃料電池用集電板であって、電力取り出し部を有すると共に、面内方向における抵抗値が、前記電力取り出し部から離れる程、小さくなることを特徴とする。

上記燃料電池用集電板であって、抵抗値の異なる複数個の部材を組み合わせて形成されることを特徴とする。

上記燃料電池用集電板であって、厚み方向における抵抗値が、燃料電池スタックから離れる程、小さくなることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池用集電板の電力取り出し部の付近に、電力が集中した状態で集電することを抑制することが出来る。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、燃料電池１の斜視図である。燃料電池１は、複数の燃料電池セル２を積層した燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０の両端面に、一対の燃料電池用集電板５（５Ａ，５Ｂ）（以下、単に、集電板と称する場合がある）とを備える。燃料電池１は、水素ガスおよび酸化ガス（通常は、空気中の酸素）の電気化学反応によって発電する。集電板５（５Ａ，５Ｂ）の外側には、更に一対のインシュレータ（図示せず）、エンドプレート（図示せず）が備えられる。燃料電池スタック２０は、図示されない所定の締結部材（例えば、テンションプレート、スルーボルト等）によって、燃料電池セル２の積層方向に対して力が加えられ、締め付け固定される。

図２は、燃料電池セル２の概略構成図である。燃料電池セル２は、ＭＥＡ３０と、一対のセパレータ４０とを備える。ＭＥＡ３０は、フッ素系高分子材料からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜３１と、水素が反応する電極であるアノード３２と、酸素が反応する電極であるカソード３３とを備える。電極３２，３３は、それぞれ触媒層３７（３７Ａ，３７Ｂ）と、拡散層３８（３８Ａ，３８Ｂ）とを有する。電解質膜３１としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体からなるナフィオン（登録商標、デュポン社製）を用いることができる。

セパレータ４０は、ＭＥＡ３０のアノード３２側に配置するアノード側セパレータ４０Ａと、ＭＥＡ３０のカソード３３側に配置するカソード側セパレータ４０Ｂとからなる。セパレータ４０Ａ，４０Ｂは、ＭＥＡ３０を両面から挟み、対向して配置される。セパレータ４０は、ステンレス、チタン、アルミニウム等の金属や、カーボン等の導電性材料からなる。アノード側セパレータ４０Ａには、ＭＥＡ３０のアノード３２表面と接触する複数の集電凸部３４Ａが備えられる。集電凸部３４Ａは、アノード３２の表面に沿って延びた凸形状を有する。隣接する集電凸部３４Ａの間には、ＭＥＡ３０のアノード３２に水素ガスを供給するための水素ガス流路３５Ａが備えられる。またアノード３２表面と接触する集電凸部３４Ａの背面であって、かつ水素ガス流路３５Ａの間には、冷媒流路３６Ａが備えられる。これに対し、カソード側セパレータ４０Ｂは、ＭＥＡ３０のカソード３３表面と接触する複数の集電凸部３４Ｂが備えられる。集電凸部３４Ｂは、カソード３３の表面に沿って延びた凸形状を有する。隣接する集電凸部３４Ｂの間には、ＭＥＡ３０のカソード３３に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３５Ｂが備えられる。またカソード３３表面と接触する集電凸部３４Ｂの背面であって、かつ酸化ガス流路３５Ｂの間には、冷媒流路３６Ｂが備えられる。燃料電池スタック２０において、隣り合う燃料電池セル２同士は、それぞれのセパレータ同士が接触しており、電気的に直列に接続している。

図３は、集電板５（５Ａ）の概略構成図であり、図１中の矢印ａの向きから見た状態の集電板５（５Ａ）の平面図を示す。集電板５は、本体部５０と、電力取り出し部５１とを有する。本体部５０は、燃料電池スタック２０の最端部の燃料電池セル２と接触する。本実施形態において、本体部５０は、略板状であり、矩形状の外形形状を有する。集電板５は、ステンレス、アルミニウム、銅、チタン等の金属材料や、エポキシ樹脂等にチタンやカーボン等の導電性フィラーを分散した導電性材料からなる。本体部５０の外周の縁端部５２に、電力取り出し部５１が配置される。本体部５０は、隣接する燃料電池セル２と接触している。本体部５０は、燃料電池スタック２０からの電力（電流、電子）を、接触する端部の燃料電池セル２から集電する。本体部５０に集電された電力は、電力取り出し部５１から、外部へ取り出される。なお電力取り出し部５１は、ケーブル（導線）が接続される個所である接続部５３を有する。この接続部５３は中空部を有し、この接続部５３にケーブル（導線）が接続され、所定の負荷（図示せず）に電力が供給される。なお図２において示されるように、集電板５は、一方の面に断面が凹部形状の条溝６０を備える。この条溝６０は、隣接する燃料電池セル２のアノード側４０Ａの冷媒流路３６Ａと共に、冷媒流路を構成する。

集電板５（５Ａ，５Ｂ）は、燃料電池スタック２０の燃料電池セル２の積層方向の両端面に配置される。集電板５Ａおよび５Ｂは燃料電池スタック２０を介し、対向して配置される。本実施形態において、集電板５は、面内方向における抵抗値が、前記電力取り出し部５１から離れる程、小さくなるように設定される。このような抵抗値の設定は、集電板５Ａおよび集電板５Ｂの双方において行われる。集電板５は、例えば、本体部５０を、抵抗値の異なる複数個の部材を組み合わせることによって製造される。図３に示される集電板５の本体部５０は、抵抗値の異なる部材である、複数個の集電ユニット７０からなる。本実施形態において各集電ユニット７０は、略正方形であり、略同じ形状の板状部材からなる。本体部５０は、図３において示されるように、すべて抵抗値の異なる集電ユニット７０を、縦列に５個、横列に７個配置している。これらの集電ユニット７０は、すべて抵抗値が異なる。これらの集電ユニット７０は、各行方向（矢印Ｘ_１の方向）および各列方向（矢印Ｙ_１の方向）において、それぞれ抵抗値が異なる。図３の矢印Ｘ_１の方向において、電力取り出し部５１と距離が近くなる右方向へ行く程、集電ユニット７０の抵抗値が大きくなり、電力取り出し部５１との距離が遠くなる左方向へ行く程、集電ユニット７０の抵抗値が小さくなる。また矢印Ｙ_１の方向において、電力取り出し部５１と距離が近くなる上方向へ行く程、集電ユニット７０の抵抗値が大きくなり、電力取り出し部５１と距離が遠くなる下方向へ行く程、集電ユニット７０の抵抗値が小さくなる。

図３の右端の列において、最も電力取り出し部５１と近い集電ユニット７０ａは、最も抵抗値が高く、電力取り出し部５１から最も離れた集電ユニット７０ｅは、この列において最も抵抗値が低い。また図３の最も下の行において、右端の集電ユニット７０ｅが最も抵抗値が高く、左端の集電ユニット７０ｋがこの行において最も抵抗値が低い。なお本体部５０全体において、最も抵抗値が高い集電ユニット７０は、集電ユニット７０ａであり、最も抵抗値が低い集電ユニット７０は、集電ユニット７０ｋである。なお各集電ユニット７０の抵抗値の調整は、例えば、エポキシ樹脂と導電性フィラーからなる集電ユニット７０にあっては、導電性フィラーの添加量を調節することによって行うことができる。各集電ユニット７０同士の接着等は、公知の手法により行われる。各集電ユニット７０の厚み方向における抵抗値は、燃料電池スタック２０から離れる程、小さくすることが望ましい。例えば、厚み方向において、抵抗値の異なる複数枚の板状の導電性部材を重ね合わせることにより、各集電ユニット７０を調製してもよい。この場合、燃料電池スタック２０と最も近い側の板状の導電性部材が、最も抵抗値が高く設定される。

本実施形態においては、すべての集電ユニット７０の抵抗値を異なるものとしたが、他の実施形態においては、同じ抵抗値を有する集電ユニット７０が含まれてもよい。但し、このような場合であっても、集電板５全体としては、電力取り出し部５１から離れる程、抵抗値が小さくなるように設定される。本実施形態において、集電板５は、電力取り出し部５１を１個備えるが、他の実施形態においては、複数個の電力取り出し部５１を備えるものであってもよい。この場合においても、集電板５は、電力取り出し部５１から離れる程、抵抗値が小さくなるように設定される。

ここで、燃料電池１の発電原理について説明する。燃料電池１には、外部より発電に必要な水素ガスおよび空気が供給される。水素ガスおよび空気は、燃料電池１と連絡する所定の配管（図示せず）を通って供給される。供給された水素ガスおよび空気は、各燃料電池セル２内に供給される。燃料電池セル２内に供給された水素ガスは、アノード側セパレータ４０Ａの水素ガス流路３５Ａ内を通り、ＭＥＡ３０のアノード３２の表面に沿って流れる。水素ガスは、水素ガス流路３５Ａ内を流れる間、アノード３２の拡散層３８Ａ内に入り、内部で拡散されつつ触媒層３７Ａへ至る。水素ガスは、触媒層３７Ａにおいて、以下の（１）式で示される化学反応に供される。この反応において、水素からプロトンおよび電子が生成する。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ・・・（１）

アノード３２の触媒層３７Ａにおいて生成したプロトンは、触媒層３７Ａから電解質膜３１へ移動し、更に、カソード３３へ向けて電解質膜３１中を移動する。この移動の間、プロトンは、水分子を伴う。電解質膜３１中を移動したプロトンは、カソード３３へ到達する。一方、生成した電子は、アノード３２の触媒層３７Ａから拡散層３８Ａへ移動し、更に、アノード側セパレータ４０Ａの集電凸部３４Ａへ移動して、集電される。なお、集電凸部３４Ａに集電された電子は、隣接する燃料電池セル２のカソード側セパレータへ移動する。

これに対し、燃料電池セル２内に供給された空気は、カソード側セパレータ４０Ｂの酸化ガス流路３５Ｂ内を通り、ＭＥＡ３０のカソード３３の表面に沿って流れる。空気は、酸化ガス流路３５Ｂ内を流れる間、カソード３３の拡散層３８Ｂ内に入り、内部で拡散されつつ触媒層３７Ｂへ至る。空気に含まれている酸素は、触媒層３７Ｂにおいて、以下の（２）式で示される化学反応に供される。この反応において、酸素と、アノード３２から移動してきたプロトンが反応して水を生成する。なおこの反応において用いられる電子は、隣接する他の燃料電池セルのアノード側セパレータからカソード側セパレータ４０Ｂを通り、更に、集電凸部３４Ｂを通ってカソード３３の触媒層３７Ｂへ供給されたものである。

（１／２）Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

燃料電池スタック２０の各燃料電池セル２において、上記（１）および（２）式の化学反応がアノード３２およびカソード３３において連続的に進行することにより、電気が発生する。各燃料電池セル２において発生した電気は、燃料電池スタック２０の両端の燃料電池セルと隣接する集電板５（５Ａ，５Ｂ）から集電される。例えば、図２において示される集電板５Ａは、燃料電池スタック２０の端部の燃料電池セル２のアノード側セパレータ４０Ａと接触した状態にある。集電板５Ａの本体部５０の一方の面には、凸部６１が備えられており、この凸部６１が燃料電池セル２のアノード側セパレータ４０Ａと接触した状態にある。この集電板５Ａは、燃料電池セル２のアノード側セパレータ４０Ａから移動してきた電子を、凸部６１から受け取り、集電する。

なお、発電に用いられなかった水素、酸素等のガスは、水素ガス流路３５Ａまたは酸化ガス流路３５Ｂを通ってオフガスとして燃料電池１から排出される。またＭＥＡ３０のカソード３３において生成した水は、オフガスと共に、酸化ガス流路３５Ｂ内を通って燃料電池１の外部へ排出される。

図４は、燃料電池１の平面図である。ここで、図４を用いて、発電時における燃料電池１内の電子の流れについて説明する。集電板５Ｂの電力取り出し部５１と、集電板５Ａの電力取り出し部５１とは、外部負荷（図示せず）を介して、所定のケーブル（導線）で接続されている。発電時、電子は、集電板５Ｂから集電板５Ａへ向けて燃料電池スタック２０内を通過する。本実施形態に係る集電板５は、少なくとも面内方向において、電力取り出し部５１から離れる程、抵抗値が小さくなっている。その為、電子は、電力取り出し部５１の近傍の集電板５（本体部５０）のみならず、電力取り出し部５１から離れた個所であり、かつ抵抗値が低い個所の集電板５（本体部５０）へ向けて流れ易くなっている。

したがって、本実施形態の集電板５は、電力取り出し部５１の近くの個所のみならず、電力取り出し部５１から離れた個所（本体部５０）をも、集電する為に利用することが出来、その結果、集電板５を全面的に利用することが可能となる。また、燃料電池スタック２０の端部の燃料電池セル２においても、電子の流れ（電流密度）に偏りが生じ難くなり、燃料電池セル２を全面的に発電に利用することが可能となる。なお、図４において、実線矢印を用いて、本実施形態における電子の流れの向きを示した。説明の便宜上、電子の流れの内、燃料電池スタック２０の端の部分の電子の流れのみを示した。実線矢印で示されるように、本実施形態によれば、各燃料電池セル２の端の部分まで電子を流すことが可能となる。これに対し、図４中の破線矢印は、従来の抵抗値が均一な集電板を用いた場合の電子の流れを示す。この場合、破線矢印で示されるように、電子は一方の集電板の電力取り出し部から他方の集電板の電力取り出し部へ向けて集中して流れてしまう。

図５は、他の実施形態に係る集電板１０５の概略構成図（平面図）である。集電板１０５は、上記集電板５と同様、図１中の矢印ａの向きから見た状態にある。この集電板１０５は、略矩形状の外形形状を有する本体部１５０と、本体部１５０の外周の縁端部５２に電力取り出し部５１とを備える。本体部１５０は、７個の集電ユニット１７０（１７０ａ〜１７０ｇ）からなる。各集電ユニット１７０の抵抗値はすべて異なる。矩形状の本体部１５０の対角線方向に沿って各集電ユニット１７０は、等間隔の幅を有する。図５の矢印Ｘ_２の方向において、電力取り出し部５１と距離が近くなる右方向へ行く程、集電ユニット１７０の抵抗値が大きくなり、電力取り出し部５１との距離が遠くなる左方向へ行く程、集電ユニット１７０の抵抗値が小さくなる。また図５の矢印Ｙ_２の方向において、電力取り出し部５１と距離が近くなる上方向へ行く程、集電ユニット１７０の抵抗値が大きくなり、電力取り出し部５１と距離が遠くなる下方向へ行く程、集電ユニット１７０の抵抗値が小さくなる。具体的には、電力取り出し部５１と最も近い集電ユニット１７０ａが最も抵抗値が高く、電力取り出し部５１と最も離れた集電ユニット１７０ｇが最も抵抗値が低く設定される。これらの集電ユニット１７０は、上記実施形態の集電ユニット７０と同様の方法で抵抗値の調節等を行うことが出来、製造される。また、集電板１０５の厚み方向における抵抗値は、燃料電池スタック２０から離れる程、小さく設定されることが望ましい。厚み方向において、抵抗値の異なる複数枚の板状の導電性部材を重ね合わせることにより、各集電ユニット１７０を調製してもよい。

図６は、更に他の実施形態に係る集電板２０５の概略構成図（側断面図）である。この集電板２０５は、上記集電板５と異なり、図１中の矢印ｂの向きから見た状態にある。集電板２０５は、本体部２５０と、電力取り出し部５１とを有する。この集電板２０５は、外形形状が集電板５および１０５と略同様であり、矩形状の本体部２５０を有する。本体部２５０は、２個の抵抗値の異なる集電ユニット２０７（２０７ａ，２０７ｂ）からなる。燃料電池スタック２０と隣接する方の集電ユニット２０７ａは、他方の燃料電池ユニット２０７ｂよりも抵抗値が高く設定されている。この集電板２０５は、厚み方向において、燃料電池セル２（燃料電池スタック２０）から離れる程、小さくなるように設定されている。なお集電ユニット２０７ａには、図示されないが、所定の冷媒流路を構成する条溝を備えている。電力取り出し部５１は、集電板２０５の本体部２５０の外周の縁端部に備えられる。本実施形態において、電力取り出し部５１は、集電ユニット２０７ｂに備えられている。本実施形態においても、集電板２０５の面内方向において、漸次、電力取り出し部５１から距離が離れる程、抵抗値は低く設定されている。この実施形態において、集電板２０５の抵抗値は、以下のような関係を有する。集電板２０５は、端部の燃料電池セル２と接触する点（接触点Ｐ）から電力取り出し部５１の接続部５３までの間の道筋Ｌの抵抗値（ΣＲ_Ｌ）と、接触点Ｑから電力取り出し部５１の接続部５３までの間の道筋Ｓの抵抗値（ΣＲ_Ｓ）とが等しい（ΣＲ_Ｌ＝ΣＲ_Ｓ）。接触点Ｐから接続部５３までの道筋Ｌは、主として、集電ユニット２０７ｂよりも抵抗値の大きな集電ユニット２０７ａからなる。これに対し、接触点Ｑから接続部５３までの道筋Ｓは、主として集電ユニット２０７ｂからなる。道筋Ｌは、道筋Ｓよりも単位長さ当たりの抵抗値が大きく設定されている。その為、道筋Ｌおよびその近傍を電子が通り難くなっており、電子が集中して流れること（電流密度が大きくなること）が抑制される。その結果、電子を、電力取り出し部５１から離れた個所（例えば、道筋Ｓ）へ通すことが出来る。

燃料電池の斜視図を示す。 集電板に隣接する燃料電池セルの概略構成図を示す。 集電板の概略構成図（平面図）を示す。 燃料電池の平面図を示す。 他の実施形態に係る集電板の概略構成図（平面図）を示す。 他の実施形態に係る集電板の概略構成図（側断面図）を示す。

符号の説明

１ 燃料電池、２ 燃料電池セル、５，５Ａ，５Ｂ，１０５，２０５ 燃料電池用集電板、２０ 燃料電池スタック、３０ ＭＥＡ、３１ 電解質膜、３２ アノード、３３ カソード、３４Ａ，３４Ｂ 集電凸部、３５Ａ 水素ガス流路、３５Ｂ 酸化ガス流路、３６Ａ，３６Ｂ 冷媒流路、３７ 触媒層、３８ 拡散層、４０ セパレータ、５０，１５０，２５０ 本体部、５１ 電力取り出し部、５２ 縁端部、７０，１７０，２０７ 集電ユニット。

Claims (3)

1. 複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池スタックからの電力を、端部の燃料電池セルから集電する燃料電池用集電板であって、
   電力取り出し部を有すると共に、面内方向における抵抗値が、前記電力取り出し部から離れる程、小さくなることを特徴とする燃料電池用集電板。
2. 請求項１に記載の燃料電池用集電板であって、
   抵抗値の異なる複数個の部材を組み合わせて形成されることを特徴とする燃料電池用集電板。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用集電板であって、
   厚み方向における抵抗値が、燃料電池スタックから離れる程、小さくなることを特徴とする燃料電池用集電板。

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