JP2008300131A

JP2008300131A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2008300131A
Application number: JP2007143530A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sakai; 修酒井; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】セルスタックの表面に外気の水分が結露する場合であっても、結露水による集電板の腐食を充分に防止することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【解決手段】反応ガス流路が形成された一対のセパレータ５ａ、５ｂと、一対のセパレータ５ａ、５ｂの間に挟持された電解質層−電極接合体３と、を有するセル１０が積層されたセル積層体７０と、セル積層体７０の両端に配置された一対の端板６１と、セル積層体７０と端板６１との間に配置された集電板２１と、水シール性を有し、集電板２１の周部を覆うように形成された第１シール部３１材と、を備える、燃料電池スタック。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの構造に関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱を同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、周縁部にガスケットが配置された高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、一対のセパレータで挟まれるようにして構成されている。そして、ＰＥＦＣは、セルを積層してセル積層体を形成し、セル積層体の両端に、集電板、絶縁板、及び端板を順に配置して、締結具により締結した、いわゆる積層型のセルスタックから構成されているのが一般的である。

ここで、集電板は、直列に積層された燃料電池スタックからの電力を集電するための金属板であり、銅、真鍮、ステンレス鋼等の材料から構成されている。また、絶縁板は、端板と集電板とを絶縁するための樹脂製の板であり、端板は、通常、ステンレス鋼などの金属材料から構成されており、締結圧を均等にセル積層体に与えるための締結板である。

このようなセルスタックにおいて、集電板は、反応ガス及び冷却水のマニホールドが形成されたセル積層体と反応ガス及び冷却水の入口又は出口が設けられた端板との間に位置するため、集電板には、セル積層体に形成されたマニホールドと、端板に形成された反応ガス及び冷却水の入口又は出口と、を連通するための貫通孔が設けられる。上述したように、集電板は金属材料で構成されるため、反応ガスや冷却水を接触させるとその水分により腐食されるおそれがある。そこで、集電板の腐食を防止するために、一対の端板の主面に筒状のボスを有する反応ガス及び冷却水の入口又は出口が配設された高分子電解質型燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている高分子電解質型燃料電池では、端板の筒状のボスを集電板に設けられた孔に挿入して、反応ガス及び冷却水の入口又は出口と反応ガス及び冷却水のマニホールドとの連通路を構成し、当該連通路内を水分が含まれる燃料ガス又は酸化剤ガスや冷却水を通流させることにより、集電板に直接水分が付着しないようにして、集電板の耐食性を改善している。
特許第３５３５８６５号

ところで、従来のＰＥＦＣでは、特に運転を発電と停止が繰り返される、いわゆるＤＳＳ運転を行うような場合、その作動温度範囲（例えば、室温〜８０℃）で温度変化するので、セルスタックの表面に外気の水分が結露し、セルスタックの表面に結露水が付着することがある。集電板には、電池電圧が印加されているため、集電板に付着した結露水にわずかでも導電性があると、集電板が腐食する。このため、上記特許文献１に記載されているように、従来のＰＥＦＣにおける集電板では、金メッキ等を施して耐食性を向上させている。

しかしながら、通常のメッキには、ピンホールが存在する場合があるため、耐食性が不充分であり、集電板に施された通常のメッキよりも、さらなる集電板の腐食防止対策を施したＰＥＦＣが望まれている。

本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、セルスタックの表面に外気の水分が結露する場合であっても、結露水による集電板の腐食を充分に防止することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池スタックは、反応ガス流路が形成された一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟まれた電解質層−電極接合体と、を有するセルが積層されたセル積層体と、該セル積層体の両端に配置された一対の板状の端部材と、前記セル積層体と前記一対の端部材とに挟持された板状の集電部材と、を備え、前記集電部材は、端子部を有する集電板と水シール性を有する第１シール部材とを有し、前記集電板の前記端子部を除く残余の部分（以下、集電板残余部）が前記セル積層体と前記端部材とに挟まれており、前記第１シール部材は前記集電板の前記集電板残余部の表面のうち、前記セル積層体と前記端部材とに接触していない部分を覆うように設けられている。

これにより、集電板の周部が結露水に接触することがなくなるため、セルスタック（燃料電池スタック）の表面で外気の水分が結露するような場合であっても、結露水による集電板の腐食を充分に防止できる。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１シール部材は前記集電板の全周部を覆うように形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１シール部材は樹脂で構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、水シール性を有し、前記集電板の周部に沿うようにして、前記集電板と前記セル積層体との間に配設されたリング状の第２シール部材を有していてもよい。

これにより、集電板とセル積層体との間隙から集電板主面への結露水の流入に対するシール性をより確実にすることができる。また、第２シール部材によって集電板とセル積層体との密着性をより向上させることによって、第１シール部材が、このような機能を有さなくてもよくなるので、第１シール部材の材料選択における自由度も向上する。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、水シール性を有し、前記集電板の周部に沿うようにして、前記集電板と前記端部材との間に配設されたリング状の第３シール部材を有していてもよい。

これにより、集電板と端部材との間隙から集電板主面への結露水の流入に対するシール性をより確実にすることができる。また、第３シール部材によって集電板と端部材との密着性をより向上させることによって、第１シール部材が、このような機能を有さなくてもよくなるので、第１シール部材の材料選択における自由度も向上する。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記端板は、前記第１シール部材の構成材料である前記樹脂とは異なる絶縁性材料を含むように形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記端部材は単一の端板で構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記端部材は前記集電部材に接触してその外側に配置された絶縁板と該絶縁板に接触してその外側に配置された端板とで構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記絶縁板は、前記第１シール部材の構成材料である前記樹脂とは異なる絶縁性材料を含むように形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１シール部材が、ＪＩＳＫ６２５３に定めるデュロメータ硬度がＡ３０以上Ａ９０以下の弾性を有していることが好ましい。

これにより、第１シール部材が、集電板と端板（又は絶縁板）、又は集電板とセル積層体との密着性をより向上させることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記第１シール部材は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群より選択される少なくとも１以上の樹脂を含むように形成されていてもよい。

本発明の燃料電池スタックによれば、スタックの表面で外気の水分が結露する場合であっても、結露水による集電板の腐食を充分に防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、一部を省略している。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００は、板状の全体形状を有するセル１０がその厚み方向に積層されてなるセル積層体７０と、集電板２１と第１シール部材３１からなる集電部材９１、端部材として樹脂製の端板６１と、を備えている。セル積層体７０の両端には、集電板２１の一方の主面（以下、内面という）がセル積層体７０の端面と接触するように配置されている。また、集電板２１の他方の主面（以下、外面という）には、端板６１の主面が集電板２１の外面と接触するように配置されている。

まず、セル１０について説明する。

セル１０は、ＭＥＡ３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂと、を有している。

ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード２ａと、カソード２ｂと、を有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード２ａとカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）がそれぞれ設けられている。具体的には、アノード２ａは、高分子電解質膜１の一方の主面に設けられており、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層と、該アノード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層と、を有している。同様に、カソード２ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面に設けられており、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層と、該カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層と、を有している。なお、高分子電解質膜１とアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が接合されたものを膜−触媒層接合体という。

アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のリング状のゴム製のガスケット４が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスの電池外へのリークが防止され、また、セル１０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。

そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ３が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ３同士が互いに電気的に直列に接続される。なお、ここでは、これらのセパレータ５ａ、５ｂは、黒鉛板に、樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いているが、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。

アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流する溝状の燃料ガス流路７が設けられており、一方、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流する溝状の酸化剤ガス流路６が設けられている。また、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂ（以下、これらをセパレータ５ａ、５ｂという）の外面には、それぞれ、熱媒体が通流する熱媒体流路８が設けられている。また、各セパレータ５ａ、５ｂの外面には、熱媒体が燃料ガス供給マニホールド等にリークしないように、Ｏリング等のシール部材（図示せず）が配設され、それにより熱媒体流路８等がシールされている。なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂの周囲には、それぞれ、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔等のマニホールド孔が設けられている（図示せず）。

次に、集電部材９１について、図１乃至図５を参照しながら詳細に説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１００における集電板２１の概略構成を模式的に示す正面図であり、図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図１に示す燃料電池スタック１００における集電部材９１の概略構成を模式的に示す正面図であり、図５は、図４に示すＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

まず、集電板２１について説明する。

図２及び図３に示すように、集電板２１は、リード部２１ａと集電部２１ｂとを有しており、略矩形の集電部２１ｂの一辺から突出するように、略矩形のリード部２１ａが配設されている。集電部２１ｂの主面３６は、上位面３４と下位面３５とを有しており、下位面３５が段差部３３で厚み方向に凹むように段状に形成されている。また、図１に示すように、段差部３３はセル積層体７０及び端板６１の周面よりも内方に位置するように形成され、集電部２１ｂの周面は、セル積層体７０又は端板６１の周面よりも内方に位置するように形成されている。

また、図２に示すように、集電部２１ｂの上位面３４の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔２２、燃料ガス排出用マニホールド孔２３、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２４、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２５、熱媒体供給用マニホールド孔２６、及び熱媒体排出用マニホールド孔２７が、それぞれ設けられている。これらのマニホールド孔の周縁部には、溝２８が形成されており、溝２８には、Ｏリング等のシール部材２９が嵌め込まれている。これにより、各マニホールド孔を通流する反応ガスや熱媒体が、燃料電池スタック１００外部へのリークを防止することができる。

一方、リード部２１ａの主面４０は、集電部２１ｂと同様に、上位面３８と下位面３９を有しており、下位面３９が段差部３７で厚み方向に凹むように段状に形成されている。リード部２１ａの上位面３８には、厚み方向に貫通する貫通孔３２が設けられており、該貫通孔３２には、燃料電池で発電した電力を外部に出力するための電気配線の端子が取り付けられる。なお、リード部２１ａの上位面３８及び貫通孔３２が、端子部を形成し、集電板２１の端子部（リード部２１ａの上位面３８及び貫通孔３２）以外の部分が、集電板残余部を形成する。

そして、集電部２１ｂの下位面３５は、集電部２１ｂの周縁部に延在するように矩形のリング状に形成され、リード部２１ａの下位面３９はリード部２１ａの周縁部に延在する矩形のリング状に形成されている。また、集電部２１ｂの下位面３５とリード部２１ａの下位面３９とは、同じ平面内に位置し、かつ、互いに連続するように形成されており、リード部２１ａの下位面３９及び集電部２１ｂの下位面３５には、多数の厚み方向に貫通する貫通孔３０が設けられている。なお、集電部２１ｂの上位面３４とリード部２１ａの上位面３８とは、同じ平面内に位置している。

この集電部２１ｂの下位面３５とリード部２１ａの下位面３９とに、後述するように、第１シール部材３１が配設される。すなわち、集電板２１のシール部材が配設されるべき部分（以下、シール部（周部）という）は、リード部２１ａの下位面３９と段差部３７、集電部２１ｂの下位面３５と段差部３３、及びリード部２１ａと集電部２１ｂの周面４１から構成されている。

次に、第１シール部材３１について説明する。

図４及び図５に示すように、第１シール部材３１は、第１乃至第４シール部３１ａ〜３１ｄを有しており、集電板２１のシール部を覆うようにして配置されている。具体的には、第１シール部材３１の第１シール部３１ａは、集電板２１におけるリード部２１ａの上位面３８と面一になるようにリード部２１ａの下位面３９を覆うように形成され、第２シール部３１ｂは、集電部２１ｂの上位面３４と面一になるように集電部２１ｂの下位面３５を覆うように形成され、第４シール部３１ｄは、リード部２１ａと集電部２１ｂの周面４１を覆うように形成されている。そして、第３シール部３１ｃは、貫通孔３０を埋めるように、かつ、集電板の両主面に形成された第１シール部３１ａ及び第２シール部３１ｂを接続するように形成されている（図５参照）。つまり、第１シール部材３１は、全体として、平面視における形状が、その一辺に矩形のリング状の凸部を有する矩形のリング状であり、断面形状がＵ字状であり、かつ、該Ｕ字形状の互いに対向する部分同士が、複数の柱状の接続部で接続されるように形成されている。これにより、集電板２１の両主面と、第１シール部３１ａ及び第２シール部３１ｂの主面との密着性が確保され、集電板２１から第１シール部材３１が抜け落ちることがない。

次に、集電部材９１の変形例について説明する。

図６は、本変形例における集電部材９１の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図６においては、一部を省略している。

図６に示すように、本変形例における集電板２１の主面は、段差部３３、３７及び貫通孔３０を有さないように構成されている。すなわち、本変形例では、第１シール部材３１は、集電板２１の主面には設けられず、集電板２１の周面に設けられる。例えば、図６（ａ）に示すように、集電板２１の周面４１に、係合凸部４２が設けられており、該係合凸部４２の基部には、くびれ部４２ａが設けられている。第１シール部材３１は、これら係合凸部４２及びくびれ部４２ａを覆うように形成されている。これにより、第１シール部材３１は集電板２１から抜け落ちることはない。なお、係合凸部４２は、集電板２１の周面に全周に亘って連続するように設けられてもよく、又は点在するように設けられてもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、集電板２１の周面４１に、くびれ部４２ａを有する係合凸部４２に代えて、平坦な周面を有する係合凸部４３を設けてもよく、また、図６（ｃ）に示すように、集電板２１の周面４１に係合凹部４４を設けてもよい。

なお、第１シール部材３１は、水シール性を有しており、端板６１又はセパレータ５ａ、５ｂと集電板２１とを密着させる観点から樹脂で構成されていることが好ましく、弾性を有していることがより好ましい。ここで、水シール性とは、水の透過を防止する性質をいい、第１シール部材３１に付着した水を、通常の意味で、集電板２１に通過しない性質をいう。
また、第１シール部材３１の弾性としては、ＪＩＳＫ６２５３に定めるデュロメータ硬度が、形状維持の観点から、Ａ３０以上であることが好ましく、シール性確保の観点から、Ａ９０以下であることが好ましい。さらに、このような特性を有する樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群より選択される少なくとも１以上の樹脂を含むように形成されていることが好ましい。

そして、図１に示すように、集電板２１が、セル積層体７０と端板６１との間に配置され、図示されない締結具で締結されて、燃料電池スタック１００が形成されている。このとき、集電板２１に配置された第１シール部材３１は、その周面５１が、セル積層体７０又は端板６１の周面と面一になるように構成されており、集電板２１のリード部２１ａ以外の部分（すなわち、集電部２１ｂ）が、燃料電池スタック１００の表面（より詳しく言えば周面）に露出しないように配置されている。具体的には、第１シール部材３１は、その周面（第４シール部３１ｄの外面）５１がセル積層体７０及び端板６１の周面と面一になってセル積層体７０及び端板６１の周面とともに燃料電池スタック１００の周面の一部を構成しており、かつ、その主面（第１シール部３１ａの外面）がセル積層体７０の外面の周縁部及び端板６１の周縁部と密着するように配置されている。

なお、ここでは、集電板２１に配置された第１シール部材３１の周面５１が、セル積層体７０及び端板６１の周面と面一になるように構成されているが、これに限定されず、集電板２１の集電部２１ｂが燃料電池スタック１００の表面に露出しなければ、第１シール部材３１の周面５１が、セル積層体７０又は端板６１の周面よりも突出するように構成されていてもよい。また、端板６１は、樹脂製のものを使用しており、セル積層体７０を均一に加圧締結する為に高い剛性が必要されるため、第１シール部材３１の構成材料である樹脂と異なる絶縁性材料を含んで形成されていることが好ましい。

次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。なお、以下に説明するようにして作成した集電部材９１を用いて、セル１０及び燃料電池スタック１００を製造する方法は、特に限定されず、公知のＰＥＦＣの製造技術を採用することができるため、詳細な説明を省略する。

まず、図２及び図３に示す形状となるように金属板を切断し、表面に金メッキを施して集電板２１を作成する。そして、集電板２１をその中に置いて鋳型の中に溶融した樹脂材料を注入するインサート射出成形により、図４及び図５に示すように、第１シール部材３１で集電板２１のシール部を覆うように成形することで、集電部材９１を作成することができる。なお、集電板２１に、第１シール部材３１を耐熱性の接着剤を用いて接着することにより、集電部材９１を作成してもよい。また、セル積層体７０の両端に集電板２１及び端板６１を配置して、締結具で締結するときに、帯状の第１シール部材３１で集電板２１の周部を覆うことで、集電部材９１を作成してもよい。

次に、以上のように構成された本実施の形態の燃料電池スタック１００の作用効果を説明する。

燃料電池スタック１００がＤＳＳ運転されると、その停止時にその表面に外気の水分が結露する場合がある。しかし、燃料電池スタック１００では、第１シール部材３１の周面が、セル積層体７０及び端板６１の周面とともに燃料電池スタック１００の周面の一部を構成しているため、集電板２１のリード部２１ａ以外の部分が燃料電池スタック１００の表面に露出していない。このため、燃料電池スタック１００の表面に結露が発生しても、結露水が、第１シール部材３１に遮断されて、集電板２１の周面４１と接触することが防止される。また、集電板２１のリード部２１ａにも、第１シール部材３１が配置されているので、結露水が集電板２１のリード部２１ａに接触することが防止される。さらに、第１シール部材３１の主面がセル積層体７０の外面の周縁部及び端板６１の周縁部と密着しているため、結露水が、第１シール部材３１とセル積層体７０及び端板６１との間にしみ込むことがなく、結露水が集電板２１における集電部２１ｂの主面３６と接触することが防止される。その結果、結露水による集電板２１の腐食をより確実に防止することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタックと基本的構成は同じであるが、以下の点が異なる。

図７は、本実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。

図７に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００においては、セル積層体７０と集電板２１の周部に配設された第１シール部材３１との間に環状の第２シール部材４６（ここでは、Ｏリング）が配設されており、また、集電板２１の周部に配設された第１シール部材３１と端板６１との間に環状の第３シール部材４８（ここでは、Ｏリング）が配設されている。具体的には、集電板２１の周部に配設された第１シール部材３１と接触するセパレータ５ａ、５ｂのそれぞれの外面に、矩形のリング状の溝４５がセパレータ５ａ、５ｂの周縁部（集電板２１の周縁部）に延在するように、かつ、セパレータ５ａ、５ｂの周面と集電板２１の段差部３３との間に位置するように形成されており、該溝４５には第２シール部材４６が嵌め込まれている。また、端板６１の内面にも、矩形のリング状の溝４７が端板６１の周縁部（集電板２１の周縁部）に延在するように、かつ、端板６１の周面と集電板２１の段差部３３との間に位置するように形成されており、該溝４７には、第３シール部材４８が嵌め込まれている。換言すると、第２シール部材４５及び第３シール部材４７は、それぞれ、第１シール部材３１の第２シール部３１ｂの主面と接触するように配設されている。

また、第２シール部材４５及び第３シール部材４７は、第１シール部材３１と同様に、水シール性を有しており、樹脂で形成されていることが好ましく、端板６１又はセパレータ５ａ、５ｂと集電板２１の周部に配設された第１シール部材３１との間の隙間をより高レベルに密封する観点から第１シール部材３１を構成する樹脂とは異なる樹脂で構成されていることがより好ましい。第２シール部材４５及び第３シール部材４７により、端板６１又はセパレータ５ａ、５ｂと集電板２１の周部に配設された第１シール部材３１との間の隙間をより高レベルに密封することができるので、第１シール部材３１が、このような機能を有さなくてもよくなるため、第１シール部材３１の材料選択における自由度が向上する。

これにより、本実施の形態２に係る燃料電池スタック１００では、集電板２１とセル積層体７０又は端板６１との間隙から集電板２１の主面３６への結露水の流入に対するシール性をより確実にすることができ、集電板２１の腐食防止をより確実に行うことができる。なお、ここでは、第２シール部材４５と第３シール部材４７の両方を配設する構成としたが、これに限定されず、第２シール部材４５又は第３シール部材４７のいずれか一方を配設する構成としてもよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池スタックは、実施の形態１に係る燃料電池スタックと基本的構成は同じであるが、以下の点が異なる。

図８は、本実施の形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図８においては、一部を省略している。

本実施の形態３に係る燃料電池スタック１００では、ステンレス鋼等の金属製の端板６１を使用している。このため、図８に示すように、端板６１と集電板２１との間に、絶縁板５０を配置して、端板６１を電気的に隔離して絶縁されるように構成している。具体的には、絶縁板５０は、その一方の主面が集電板２１の外面と接触し、他方の主面が端板６１と接触するように配置されている。なお、本実施の形態においては、端板６１と絶縁板５０から端部材が構成される。

また、絶縁板５０及び端板６１の主面には、それぞれ、厚み方向に貫通するようにスリット孔６２、６３が設けられており、集電板２１、絶縁板５０、及び端板６１は、集電板２１のリード部２１ａが、スリット孔６２、６３を挿通するように配置されている。

なお、絶縁板５０は、端板６１を電気的に隔離して絶縁させる観点から絶縁性を有する物質で構成されており、樹脂で構成されていることが好ましく、また、絶縁板５０は、集電板２１と密着される観点から、第１シール部材３１を構成する樹脂とは異なる樹脂で構成されていることがより好ましい。また、スリット孔６２、６３の周縁部にＯリング等のシール部材を配置してもよい。さらに、実施の形態２に係る燃料電池スタック１００に配設された第２及び第３シール部材４６、４８を配設してもよい。この場合、第３シール部材４８は、絶縁板５０と集電板２１との間に配設される。

ここで、本実施の形態３に係る燃料電池スタック１００の集電部材９１について、図９乃至図１２を参照しながら詳細に説明する。

図９は、図８に示す燃料電池スタックにおける集電板２１の概略構成を模式的に示す正面図であり、図１０は、図９に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図１１は、図８に示す燃料電池スタックにおける集電部材９１の概略構成を模式的に示す正面図であり、図１２は、図１１に示すＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

まず、集電板２１について説明する。

図９及び図１０に示すように、本実施の形態における集電板２１では、リード部２１ａが集電部２１ｂの主面の略中央部から突出するように（集電部２１ｂの主面の厚み方向に延びるように）設けられている。

リード部２１ａは、全体として２段の四角柱状に形成されている。具体的には、リード部２１ａの基端に近い部分に段差６４が形成されており、該段差６４から基端までの部分（以下、基端部という）８１が、その残余の部分であるリード残余部８２より大きい断面積を有するように形成されている。リード残余部８２の互いに対向する側面の互いに対向する部分には、一対の矩形の島状の取付部８３、８３が突設されている。この一対の取付部８３、８３の先端面は、基端部８１の該先端面に対応する側面と同じ平面内に位置している。また、一対の取付部８３、８３の先端面には、該一対の取付部８３、８３を貫通するように、電気配線取り付け用の貫通孔３２が形成されている。さらに、リード残余部８２には、貫通孔３２と同じ方向にこれを貫通する多数の貫通孔３０が形成されている。なお、リード部２１ａの取付部８３及び貫通孔３２が、端子部を形成し、集電板２１のリード部２１ａの取付部８３及び貫通孔３２以外の部分が、集電板残余部を形成する。

次に、第１シール部材３１について説明する。

図１１及び図１２に示すように、集電板２１におけるリード残余部８２の取付部８３を除く部分を覆うように、第１シール部材３１が形成されている。具体的には、第１シール部材３１は、リード部２１ａの段差６４及び貫通孔３０を埋めて、第１シール部材３１で覆われたリード部２１ａが全体として単純な（段差のない）四角柱形状をなすように形成されている。

そして、図１に示すように、第１シール部材３１で覆われ、四角柱形状に形成されたリード部２１ａが、絶縁板５０のスリット孔６２及び端板６１のスリット孔６３に嵌合するようにして挿通されている。リード部２１ａの基端部８１は絶縁板５０のスリット孔６２内に位置している。また、リード部２１ａのリード残余部８２のうち、端板６１のスリット孔６３内に位置する部分は、第１シール部材３１で覆われている。従って、集電板２１と端板６０とが接触することはない。また、リード部２１ａのリード残余部８２のうち、端板６０外部に突出している部分に取付部８３が位置していて、その取付部８３以外の部分が第１シール部材３１で覆われている。

このため、本実施の形態３に係る燃料電池スタック１００では、燃料電池スタック１００の表面に付着した結露水が、端板６１の外面を伝わったような場合でも、結露水が集電板２１のリード部２１ａに接触することが防止される。また、端板６１及び絶縁板５０に形成されたスリット孔６２、６３には、第１シール部材３１が嵌合しているので、端板６１及び絶縁板５０と集電板２１との間に結露水がしみ込むことがなく、結露水が集電板２１の集電部２１ｂに接触することが防止される。この結果、結露水による集電板２１の腐食をより確実に防止することができる。

なお、上記実施の形態においては、第１シール部材３１は、集電板２１の周部全体を覆うように形成されていると説明したが、これに限定されず、本発明の作用効果が得られる範囲で、その一部が省略されるようにして配置されていてもよい。

本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池スタックの製造方法の例示を兼ねて説明する。

[実施例１]
本実施例では、実施の形態１で説明した燃料電池スタック１００を、以下のプロセスで作製した。

高分子電解質膜１として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（ＤＵＰＯＮＴ社製Ｎａｆｉｏｎ１１２（登録商標））を１５ｃｍ角に切断したものを用いた。

アノード触媒層及びカソード触媒層は、以下のようにして作成した。

まず、平均粒子径が３０ｎｍのカーボン粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック）を、塩化白金酸と塩化ルテニウム酸が溶解された水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金−ルテニウムを担持させた。このとき、白金粒子とルテニウム粒子との平均粒子径は共に約３０Åで、カーボン粉末に対する白金粒子とルテニウム粒子との担持率は、それぞれ３０重量％及び２４重量％とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。これをアノード触媒層用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１．６：１．０とした。

次に、平均粒径が３０ｎｍのカーボン粉末（ＡＫＺＯ社製、ケッチェンブラック）を、塩化白金酸が溶解された水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、炭素粉末に白金を担持させた。このとき、白金粒子の平均粒子径は約３０Åで、カーボン粉末に対する白金粒子の担持率は、７０重量％とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。これをカソード触媒層用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、１：１とした。

これらの触媒担持カーボンを含むスラリーをフィルム基材に塗工した後、乾燥させてアノード触媒層又はカソード触媒層とした。このとき、これらの触媒層は１０ｃｍ角の電極面積１００ｃｍ^２とした。そして、高分子電解質膜１の両面にそれぞれホットプレスにより転写して、膜−触媒層接合体を形成した。

次に、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を以下のようにして作成した。

まず、カーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０）を電極の支持体となるガス拡散層基材として用い、このカーボンペーパーに導電性撥水層を塗工した。具体的には、界面活性剤を添加した水にアセチレンブラック（電気化学工業社製）の顆粒を分散させた後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン社製）を加えて、よく混練したものを導電性撥水層スラリーとした。このとき、スラリーの重量組成比は水：アセチレンブラック：ＰＴＦＥ：界面活性剤＝４０：１０：３：１とした。このスラリーを、カーボンペーパーに塗工した後、電気炉で３００℃、３時間焼成することにより、界面活性剤を除去させて、導電性撥水層をカーボンクロスに固着させた。このようにして導電性撥水層を形成したカーボンクロスを１０．２ｃｍ角に切断して、ガス拡散層とした。

次に、膜−触媒層接合体の両面に、一対のガス拡散層を導電性撥水層が触媒層と接触するように配置して、一対のガス拡散層で膜−触媒層接合体を挟持させ、さらに、ガス拡散層の周囲にフッ素ゴム製のガスケット４を配置して、これらの積層体を１００℃、５分ホットプレスし、ＭＥＡ３とガスケット４を接合した。

次に、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂは、厚さが３ｍｍで１５ｃｍ角の樹脂含浸黒鉛板を切削加工によって、燃料ガス流路７又は酸化剤ガス流路６、熱媒体流路８、各マニホールド孔等を形成することによって作製した。このとき、燃料ガス流路７は、リブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、流路本数を３本として、サーペンタイン状に形成し、酸化剤ガス流路６は、リブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、流路本数を６本として、サーペンタイン状に形成し、冷却水路はリブ幅１．５ｍｍ、溝幅１．５ｍｍ、流路本数を４本として、サーペンタイン状に形成した。

そして、このようにして形成したセパレータ５ａ、５ｂでＭＥＡ３及びガスケット４を挟んでセル１０を形成し、このセル１０を３０セル積層して、セル積層体７０とした。

集電板２１は、図２及び図３に示す形状となるように真鍮製の板を切断し、表面に金メッキを施した。そして、インサート射出成形により、図４及び図５に示すように、フッ素ゴムで集電板２１の周部を覆うように成形し、集電部材９１を作成した。端板６１は、厚さ７０ｍｍのポリフェニレンサルファイド製のものを用いた。

次に、図１に示すように、セル積層体７０を集電部材９１で挟み、集電板２１の外面を端板６１で挟んだ積層体を締結圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２となるように締結ロッド等の締結具を用いて締結した。

このようにして作製した本実施例の燃料電池スタック１００は、集電板２１の周部が第１シール部材３１で覆われているため、ＤＳＳ運転等によって燃料電池スタック１００の表面に外気の水分が結露する場合であっても、第１シール部材３１によって、集電板２１の周部に結露水が接触することがなくなるため、結露水による集電板２１の腐食をより確実に防止することができる。

[実施例２]
本実施例では、実施の形態２で説明した燃料電池スタック１００を以下のプロセスで作製した。なお、実施例１の燃料電池スタック１００と共通する部分については、その説明を省略する。

集電部材は、インサート射出成形により、ポリプロピレンで、図４及び図５に示すように集電板２１の周部を覆うように成形して作製した。また、集電板２１と接触するセパレータ５ａ、５ｂの外面の周縁部に溝４５を切削加工によって作製した。さらに、端板６１の内面の周縁部にも溝４７を切削加工によって作製した。なお、端板６１は、溝４７が形成された鋳型に溶融した樹脂材料を流し込むことで作製してもよい。

そして、溝４５に第２シール部材４６として環状のバイトン（ＤｕＰｏｎｔ社製商品名バイトン）を配し、また、溝４７に第３シール部材として環状のバイトン（ＤｕＰｏｎｔ社製商品名バイトン）を配した。ついで、セル積層体７０を集電板２１(正確には、集電部材)で挟み、集電板２１の外面を端板６１で挟んだ積層体を締結圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２となるように締結ロッド等の締結具を用いて締結した。

このようにして作製した本実施例の燃料電池スタック１００は、集電板２１の周部が第１シール部材３１で覆われているため、ＤＳＳ運転等によって燃料電池スタック１００の表面に外気の水分が結露する場合であっても、第１シール部材３１によって、集電板２１の周部に結露水が接触することがなくなるため、結露水による集電板２１の腐食をより確実に防止することができる。また、集電板２１とセル積層体７０又は端板６１との間隙から集電板２１の主面３６への結露水の流入に対するシール性をより確実にすることができ、集電板２１の腐食防止をより確実に行うことができる。

[実施例３]
本実施例では、実施の形態３で説明した燃料電池スタック１００を以下のプロセスで作製した。なお、実施例１の燃料電池スタック１００と共通する部分については、その説明を省略する。

集電板２１は、図９及び図１０に示す形状となるように真鍮製の板を切断し、表面に金メッキを施した。そして、インサート射出成形により、フッ素ゴムで、図１１及び図１２に示すように集電板２１の周部を覆うように成形して集電部材９１を作製した。端板６１には、厚さ５０ｍｍのステンレス製の板を用い、その主面の略中央部に切断加工によりスリット孔６３を形成した。また、絶縁板５０には、厚さ１ｍｍのテフロン（登録商標）製シートを用い、その主面の略中央部にレーザ加工によりスリット孔６２を形成した。

そして、セル積層体７０の両端に集電部材９１を配置し、集電板２１の外面に接触するように絶縁板５０を配置し、さらに、絶縁板５０の外面に接触するように端板６１を配置した。この際、集電板２１のリード部２１ａを絶縁板５０のスリット孔６２及び端板６１のスリット孔６３に挿通した。そして、締結圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２となるように締結ロッド等の締結具を用いて締結した。

本発明の燃料電池スタックは、スタックの表面で外気の水分が結露する場合であっても、結露水による集電板の腐食を充分に防止することができるので、安全に運転することができる燃料電池スタックとして有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。図１に示す燃料電池スタックにおける集電板の概略構成を模式的に示す正面図である。図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１に示す燃料電池スタックにおける集電部材の概略構成を模式的に示す正面図である。図４に示すＶ−Ｖ線に沿った断面図である。本変形例における集電部材の概略構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。図８に示す燃料電池スタックにおける集電板の概略構成を模式的に示す正面図である。図９に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図８に示す燃料電池スタックにおける集電部材の概略構成を模式的に示す正面図である。図１１に示すＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

符号の説明

１高分子電解質膜（電解質層）
２ａアノード
２ｂカソード
３ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）
４ガスケット
５ａアノードセパレータ
５ｂカソードセパレータ
６酸化剤ガス流路
７燃料ガス流路
８熱媒体流路
１０セル
２１集電板
２１ａリード部
２１ｂ集電部
２２燃料ガス供給用マニホールド孔
２３燃料ガス排出用マニホールド孔
２４酸化剤ガス供給用マニホールド孔
２５酸化剤ガス排出用マニホールド孔
２６熱媒体供給用マニホールド孔
２７熱媒体排出用マニホールド孔
２８溝
２９シール部材
３０貫通孔
３１第１シール部材
３１ａ第１シール部
３１ｂ第２シール部
３１ｃ第３シール部
３１ｄ第４シール部
３３段差部
３４上位面
３５下位面
３６主面
３７段差部
３８上位面
３９下位面
４０主面
４１周面
４２係合凸部
４２ａくびれ部
４３係合凸部
４４係合凹部
４５溝
４５ａ内周壁
４６第２シール部材
４７溝
４７ａ内周壁
４８第３シール部材
５０絶縁板
５１周面
６１端板
６４段差
７０セル積層体
８１基端部
８２リード残余部
８３取付部
９１集電部材
１００燃料電池スタック

Claims

反応ガス流路が形成された一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟まれた電解質層−電極接合体と、を有するセルが積層されたセル積層体と、
該セル積層体の両端に配置された一対の板状の端部材と、
前記セル積層体と前記一対の端部材とに挟持された板状の集電部材と、を備え、
前記集電部材は、端子部を有する集電板と水シール性を有する第１シール部材とを有し、前記集電板の前記端子部を除く残余の部分（以下、集電板残余部）が前記セル積層体と前記端部材とに挟まれており、前記第１シール部材は前記集電板の前記集電残余部の表面のうち、前記セル積層体と前記端部材とに接触していない部分を覆うように設けられている、燃料電池スタック。
前記第１シール部材は前記集電板の全周部を覆うように形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１シール部材は樹脂で構成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
水シール性を有し、前記集電板の周部に沿うようにして、前記集電板と前記セル積層体との間に配設されたリング状の第２シール部材を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
水シール性を有し、前記集電板の周部に沿うようにして、前記集電板と前記端部材との間に配設されたリング状の第３シール部材を有する、請求項１又は４に記載の燃料電池スタック。
前記端部材は単一の端板で構成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記端部材は前記集電部材に接触してその外側に配置された絶縁板と該絶縁板に接触してその外側に配置された端板とで構成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記端板は、前記第１シール部材の構成材料である前記樹脂とは異なる材料を含むように形成されている、請求項６に記載の燃料電池スタック。
前記絶縁板は、前記第１シール部材の構成材料である前記樹脂とは異なる材料を含むように形成されている、請求項７に記載の燃料電池スタック。
前記第１シール部材が、ＪＩＳＫ６２５３に定めるデュロメータ硬度がＡ３０以上Ａ９０以下の弾性を有している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１シール部材は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群より選択される少なくとも１以上の樹脂を含むように形成されている、請求項３に記載の燃料電池スタック。