JP2016131086A

JP2016131086A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2016131086A
Application number: JP2015004683A
Authority: JP
Inventors: 規寿吉本; Norihisa Yoshimoto; 光生吉村; Mitsuo Yoshimura; 安本　栄一; Eiichi Yasumoto; 栄一安本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-21

Abstract

【課題】従来よりも集電がしやすく部品点数を減らして低コスト化できる燃料電池を提供する。【解決手段】集電板兼端セパレータ２ａを低抵抗で高強度の炭素材料とすることにより、金属集電板に比べて耐腐食性を向上でき、また炭素材料が中間セパレータの炭素材料の炭素よりも、平均格子面間隔が狭い、もしくは、結晶子が大きい炭素材料を用いた端セパレータで構成することで、より導電性を向上させることができるため、集電効率を向上させることができる。また、電流取り出し端子１が一体成型であるため、集電板兼端セパレータ２ａと取り出し端子間の接触抵抗が減り、電圧低下を抑制することができ、部品点数も減るため、スタックの重量を低減させると共にコストも低減させることができるため、より軽量なスタック構成にすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のような燃料電池に関する。

固体高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを、ガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいて、それぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。

図８に、固体高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部概略断面図を示す。固体高分子電解質形の燃料電池１００は、図８に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Menbrane Electrode Assembly）５と、ＭＥＡ５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。

この燃料電池は、ＭＥＡ５と両極のアノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４とからなるセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。

ＭＥＡ５は、イオン交換膜からなる電解質膜２４と、この電解質膜２４の一方の面に配置されたアノード触媒層２７及び電解質膜２４の他方の面に配置されたカソード触媒層２８で構成し、さらにその外側には、反応ガスの拡散及び排水性をよくするため、アノードガス拡散層２９及びカソードガス拡散層３０を具備している。

また、アノード２５に燃料ガス（水素）を供給する流路を形成しているアノードセパレータ３３及びカソード２６に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する流路を形成するカソードセパレータ３４の双方は、隣接するセル間の電子の通路も担う。

また、アノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４には、反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ５の外部に運び去るためのアノードガス流路７及びカソードガス流路８が一方の面（即ちアノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４の、それぞれアノード２５及びカソード２６に接する側の主面）に形成されている。

更に、アノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４の他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１４が形成されている。冷却流体を燃料電池１００と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。

このアノードガス流路７及びカソードガス流路８は、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４の、それぞれアノード２５及びカソード２６に接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。

また、冷却流体流路１４は、アノードセパレータ３３及びカソードセパレータ３４の外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。また、アノードガス流路７及びカソードガス流路８の形成される面は一般的に発電部或いは電極部と呼ばれる。

図９に燃料電池１００の単位モジュールを複数積層したモジュール積層体（スタック）
２００を示す。

このスタック２００の積層方向両端に、集電板３７ａ（アノード極）及び集電板３７ｃ（カソード極）、締結板１３を配置し、積層方向に締め付け、スタック２００の外側で積層方向に延びる締結をボルト３５にて固定することによって、スタック２００が形成される。また、図８に示される固体高分子電解質形の燃料電池１００の一般的な基本構成を単位セル４２として示し、この単位セル４２が積層されたものを積層体３６とする。

固体高分子電解質型の燃料電池１００では、アノード２５側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜２４中をカソード２６側に移動し、カソード２６側では酸素と水素イオン及び電子（隣りのＭＥＡ５のアノード２５で生成した電子がセパレータ３３，３４を通してくる、または、積層体３６の一端の単位セル４２のアノード２５で生成した電子が外部回路を通して積層体３６の他端の単位セル４２のカソード２６にくる）から水を生成する反応が行われる。

アノード２５側：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ
上記反応を行うために、スタック２００には燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータ３３，３４でのジュール熱とカソード２６での水生成反応で熱が出るので、セパレータ３３，３４間には、単位セル４２毎に或いは複数個の単位セル４２毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷却媒体が循環され、燃料電池１００を冷却している。

スタック２００内における燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体のスタック２００のそれぞれの流路からの洩れと混合を防止するために、図８に示すように、燃料電池１００の構成要素（セパレータ３３，３４、電解質膜２４など）間にはアノード側シール部材９及びカソード側シール部材１０が設けられ、構成要素間をシールしている。

このシール部材９，１０には、ＭＥＡ５を挟み込む際のセパレータ３３，３４との間のアノードシール部材９及びカソードシール部材１０と、主に冷却水流路を形成する際のセパレータ３３，３４間のシール部材がある（図示せず）。

このセパレータ３３，３４間のシール部材は、冷却媒体（通常は冷却水）を封止させ、かつ電極として正負極を密着させるものである。

また、アノード２５で生成した電子は、積層体３６のアノード２５端部にある集電板３７ａを経由し外部回路へ供給され、集電板３７ｃに戻る。この際、両端の集電板３７ａ，３７ｃは、締結板１３にて締結される際、強度が必要であることから、一般的に金属製の集電板（金属集電板）が多く用いられている。

金属集電板は、大気中の水分の影響や冷却水、酸化ガス及び燃料ガスなどが部分的に極微量にリークした際、金属集電板と接触することで腐食するおそれがある。また端部アノードセパレータ及び端部カソードセパレータとの接触抵抗を下げるため、電気導電性に優れた金または白金を金属集電板表面にコーティングすることが必要である。

しかしながら、金属集電板表面に金や白金をコーティング処理したものは、耐腐食性が優れている一方、非常に高価で、かつスタック２００の締結荷重に対して耐延性を確保するため、ある程度の厚みを有する必要があり、スタック２００が重くなるという課題がある。

集電板３７ａ，３７ｃとして、耐食性及び電気伝導性に優れた炭素板や黒鉛板、あるいは炭素質か黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料を用いることが望ましい。

例えば特許文献１では、スタックの集電板が積層体と端板との間に配置され、燃料電池積層体からの電流をその外部に出力する炭素製の集電板を配置し、この炭素製集電板に対して母材を金属とした電流取出し部材を接触状態で固定し、電流取出し部材に対して電流ケーブルを電気的に接続してなる燃料電池を提案している。

また、特許文献２では、スタックの最外郭に設けられる一対の最外郭セパレータは，その間に配置された少なくとも１つの電極部と各最外郭セパレータとが密着した状態となるように加圧されて締結され、最外郭セパレータのうちの１つの膜−電極接合体の一方の面に密着配置される密着面には、膜−電極接合体に水素ガスを供給する水素通路が形成されている。

また集電ユニットを形成する最外郭セパレータのうちの他の１つの膜−電極接合体の一方の面に密着配置される密着面には，膜−電極接合体に空気を供給する空気通路が形成されている。

特開２０１０−１３５１１８号公報特開２００６−８００８１号公報

しかしながら、特許文献１では、集電板を燃料電池積層体と端板との間に別部材で配置しているため、端板からの締結圧を直接受ける構造であり、高強度な炭素材料が必要となる。また、別部品の電流取り出し端子部が炭素材料でかつ、Ｌ字型に配置されている。このため、炭素材料の集電板との間の接触抵抗が大きくなり、電圧低下するという課題を有していた。

また、特許文献２では、母材が金属材料で構成され、締結板を兼ねていることから、強度が求められるため、重量が重くなる懸念がある。また、金属母材にコーティング層を付与しなければ、酸化ガスなどによって腐食するおそれがある。集電板から電流を取り出す端子を別途設けるため、部品点数が多くなり、高コストになるという課題を有していた。

そこで、本発明は、従来よりも集電がしやすく部品点数を減らして低コスト化できる燃料電池を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜が一対の電解層の間に挟まれた構造の膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを有するセルが、前記膜電極接合体の厚み方向に複数積層されたセル積層体を備え、前記セル積層体の積層方向両端に集電するための集電板を備えた燃料電池であって、前記セル積層体の積層方向の両端に位置する一対の端セパレータは、炭素材料を主成分として構成され、かつ前記集電板を兼ねていると共に、一対の前記端セパレータの間に位置する中間セパレータよりも電気抵抗が小さく、強度が高い部材で構成したものである。

これによって、端セパレータが集電板を兼ねているため、部品点数が少なくなり、コストを抑えることができる。また、中間セパレータよりも電気抵抗が小さいため、集電がよ
りしやすくなり、電圧低下を防ぎ、発電効率が向上する。さらに中間セパレータよりも強度が強いため、端板側からの締結圧力に対して強度保持できるものとなる。

また、本発明の燃料電池は、少なくとも一方の前記端セパレータが中間セパレータよりも厚みが厚くなるように構成したものである。

これによって、中間セパレータよりも端セパレータの厚みが増すことで、燃料電池の積層体における締結圧力に対する強度を容易に向上させることができるものとなる。

また、本発明の燃料電池は、炭素材料を主成分として構成され、前記端セパレータの炭素材料に含まれる炭素は、前記中間セパレータの炭素材料の炭素よりも、平均格子面間隔が狭い、もしくは、結晶子が大きくなるように構成したものである。

これによって、端セパレータの固体抵抗成分を低減できるため、発生した電子の集電効率を向上できるものとなる。

また、本発明の燃料電池は、前記端セパレータに、前記セル積層体の温度制御を行うための熱媒体を通流する流路を形成したものである。

これによって、燃料電池の端セパレータ側の温度制御がしやすくなるため、端セパレータ側のＭＥＡの電圧低下を効果的に抑制することができ、スタック全体の電池性能を安定に保つことができるものとなる。

また、本発明の燃料電池は、前記端セパレータのうち、少なくとも一方の前記端セパレータ側に弾性構造が配置され、積層方向に加圧されて締結されており、弾性構造が配置された一方の前記端セパレータは、他方の前記端セパレータよりも強度が強い構造体を成すものである。

これによって、燃料電池は積層体を弾性構造によって、一定の締結圧を付与させた構成を取るため、特に弾性構造側の集電板強度を比較的容易に向上させることができるものとなる。

本発明の燃料電池は、流路形成が成された燃料電池の集電板において、炭素材料を主成分とし、かつモジュールを構成する積層体の中間セパレータよりも強度が高く、かつ低抵抗にできる。また端セパレータとしても機能させることができ、炭素材料であるため、燃料ガス並びに酸化ガスや大気中の水分の影響による集電板の腐食が極めて発生しにくく、経済的で信頼性の高い燃料電池を得ることができるという効果を奏する。

本発明は、上記のような固体高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現することのできる燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態１における集電板兼端セパレータを両極に配置したスタックにおける燃料電池の断面模式図本発明の実施の形態２における集電板兼端セパレータを両極に配置したスタックにおける燃料電池の断面模式図本発明の実施の形態３における集電板兼端セパレータを両極に配置したスタックにおける燃料電池の断面模式図本発明の実施の形態４における集電板兼端セパレータを両極に配置したスタックにおける燃料電池の断面模式図本発明の実施の形態５の燃料電池における集電板兼端セパレータの平面模式図本発明の実施の形態６の燃料電池における集電板兼端セパレータの平面模式図本発明の実施の形態７の燃料電池における集電板兼端セパレータの平面模式図従来の燃料電池の基本構成（単電池）の要部概略断面図。従来の燃料電池積層体の形態の一例を示す高分子電解質型燃料電池の斜視図

第１の発明は、セル積層体の積層方向両端に集電するための集電板を備えた燃料電池において、セル積層体の積層方向の両端に位置する一対の端セパレータが、炭素材料を主成分として構成され、かつ集電板を兼ねていると共に、一対の前記端セパレータの間に位置する中間セパレータよりも電気抵抗が小さく、強度が高い構成体とすることにより、前記端セパレータの接触抵抗を下げることができ、また中間セパレータよりも強度が保持しやすい構造となり、耐腐食性に有利で、かつ部品点数を減らすことで低コストで軽量なスタック構成とすることができる。

また、第２の発明は、特に第１の発明の端セパレータが、中間セパレータと比べ、少なくとも一方の端セパレータにおいて、厚みが厚い構成体とすることにより、強度が保持しやすい構造となり、簡便かつ別部品を用いることなく強度を向上することができる。

また、第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明の端セパレータを、主成分が炭素材料で構成され、中間セパレータの炭素材料の炭素よりも、平均格子面間隔が狭い、もしくは、結晶子が大きい炭素材料を用いることにより、炭素の結晶性が高く、低抵抗となり、発電時の集電効率を向上することができる。

また、第４の発明は、特に第１から第３のいずれか１つの発明の端セパレータを、流路形成し、熱媒体を通流させることにより、温度制御しやすくなり、締結板により、締結されて成るスタックの両端のセパレータ側の温度制御は外気の影響や締結板による放熱阻害を受けることがあっても、流路が形成されているため、温度制御がしやすく、安定した発電を行うことができる。

また、第５の発明は、特に第１から第４いずれか１つの発明の端セパレータを、少なくとも一方の端セパレータ側にバネなどの弾性構造が配置され、積層方向に加圧されて締結されており、弾性構造が配置された一方の端セパレータだけが、他方の端セパレータよりも強度が強い構成部材の構成とすることにより、高強度となり、締結部材による集電板の破損を経済的に有利な手法で抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池における集電板兼端セパレータに炭素材料を用いた場合のスタック断面を示した模式図である。

図１において、集電板兼端セパレータ２ａは正負極２枚１組で構成されており、外部への電流取り出し端子１がそれぞれ一体化されている。

また、２つの集電板兼端セパレータ２ａの間には中間セパレータ４及び中間セパレータ６があり、アノード側の集電板兼端セパレータ２ａの一方の面側には、アノードガス流路７があり、またカソード側の集電板兼端セパレータ２ａの一方の面側には、カソードガス流路８があり、それぞれＭＥＡ５に燃料ガスと酸化剤ガスを供給できるように構成されている。

また、ＭＥＡ５での反応熱を制御するため、中間セパレータ４のＭＥＡ５との反対側の面に冷却流体流路１４を設置している。集電板兼端セパレータ２ａよりもさらに外側にある２枚１組の締結板１３は、ボルト（図示せず）によって締結され、スタック１２を構成している。

また、中間セパレータ４及び中間セパレータ６の一方面には、ＭＥＡ５とアノード側及びカソード側のガスを封止するため、アノードシール部材９とカソードシール部材１０があり、また冷却流体流路１４がある面には、冷却流体シール部材１１によって、それぞれシールされている。

アノードシール部材９、カソードシール部材１０及び冷却流体シール部材１１には、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成される。構成する材料としては、ゴム材料や熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。

ガスケット材の具体例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、或いはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム、フッ素ゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。

また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、具体的には、耐久性を考慮した場合、フッ素ゴムを用いることができる。シール部材の形状は、特に限定されるものではないが、略矩形環状が好適に用いられる。

集電板兼端セパレータ２ａは、炭素材料を主成分として構成されている。この炭素材料は、主に黒鉛粉末が用いられ、その結晶化度は導電性及び耐腐食性に影響を及ぼす。黒鉛化度が低いと材質の導電性及び耐腐食性の低下を招くことになる。

このため、Ｘ線回折法による平均格子面間隔ｄ００２の値が０．３５ｎｍ以下、結晶子の大きさＬｃ（００２）の値が２０ｎｍ以上の黒鉛化性状に設定することで、低抵抗で耐腐食性の炭素材料を用いることができる。

一般に黒鉛粉末あるいはそれに類するカーボン粉と熱硬化性或いは熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型加工することで得られる方法であれば、特に制限はされないが、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合したセパレータ材料を用いることが好適である。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂やクレゾール樹脂などを用いることができる。

また、セパレータ材料は、ガス不透過の導電性材料として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンで形成したものも使用することができる。

スタック１２及び集電板兼端セパレータ２ａにおいて、炭素材料を用いた場合の機械的強度は、曲げ強度、曲げ弾性率、圧縮強度及び衝撃に対する強さ（靭性）が求められる。曲げ強度及び圧縮強度は大きくなる反面、靭性が低下する。このため、曲げ強度が２０〜５０ＭＰａ及び圧縮強度が５０〜１００ＭＰａの範囲が好適である。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池における集電板兼端セパレータについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、スタック１２は、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれアノードガス流路７及びカソードガス流路８に導入されると、ＭＥＡ５で電気化学反応によって、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、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及び電子（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、セル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が炭素材料を主成分とした集電板兼端セパレータ２ａの電流取り出し端子１を経て、外部回路を通してセル積層体の他端の集電板兼端セパレータ２ａに接したセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。

また、反応熱は、中間セパレータ６に隣接する中間セパレータ４に設けた冷却流体流路１４に冷却流体を流すことによって制御される。

以上のように、本実施の形態においては、集電板兼端セパレータ２ａを低抵抗で高強度の炭素材料とすることにより、金属集電板に比べて耐腐食性を向上でき、また炭素材料が中間セパレータの炭素材料の炭素よりも、平均格子面間隔が狭い、もしくは、結晶子が大きい炭素材料を用いた端セパレータで構成することで、より導電性を向上させることができるため、集電効率を向上させることができる。

さらにまた集電板兼端セパレータ２ａから電流を取り出すための電流取り出し端子１が一体成型であるため、集電板兼端セパレータ２ａと取り出し端子間の接触抵抗が減り、電圧低下を抑制することができ、部品点数も減るため、スタックの重量を低減させると共にコストも低減させることができるため、より軽量なスタック構成にすることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池における集電板に炭素材料を用いた場合のスタック断面を示した模式図である。

図２において、集電板兼端セパレータ２ｂの厚みが、中間セパレータ４及び中間セパレータ６よりも厚みが厚い場合を示したものであり、その他の構成部材は、図１と同じである。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池における集電板兼端セパレータについて、以下その動作、作用を説明するが、図１と重複する箇所は省略する。

集電板兼端セパレータ２ｂの厚みが、中間セパレータ４及び中間セパレータ６よりも厚い炭素材料を主成分とした部材で強度が高くなるように構成されている。

以上のように、本実施の形態においては、集電板兼端セパレータ２ｂを中間セパレータ４及び中間セパレータ６よりも厚みを厚くすることにより、強度が増し、締結板１３で締結によって生じる力に対して、破損しにくい構造にすることができる。

集電板兼端セパレータ２ｂの強度は、一般的に曲げ強度で示される。集電板兼端セパレータ２ｂは、中間セパレータ４及び中間セパレータ６の曲げ強度に対して、１．５倍から３倍の強度になるような厚みの範囲で用いる。

これは、スタック１２の両側の集電板兼端セパレータ２ｂが、バネ（図示せず）によって締結されることが多く、局所的に曲げ応力の限界値を超えることがある。このため、炭素材料を成分として含まれる集電板兼端セパレータ２ｂは、スタック１２に作用する締結圧力より充分に高い強度が求められる。

以上のように、本実施の形態においては、集電板兼端セパレータ２ｂを中間セパレータ４及び中間セパレータ６と比べ、厚い構成により、高強度化を比較的容易な方法で達成することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池における集電板兼端セパレータに炭素材料を用いた場合のスタック断面を示した模式図である。

図３において、両端の集電板兼端セパレータ２ｃが、中間セパレータ３及び中間セパレータ６と接する面に、冷却流体流路１４を設け、さらに中間セパレータ３、中間セパレータ４及び中間セパレータ６よりも厚みが厚い場合を示したものであり、その他の構成部材は、図１と同じ構成である。

スタック１２は、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれアノードガス流路７及びカソードガス流路８に導入されると、ＭＥＡ５で電気化学反応によって、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、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及び電子から水を生成する反応が行われ、両端のセパレータ近傍の反応熱を冷却流体によって制御する。

以上のように、本実施の形態においては、両端の集電板兼端セパレータ２ｃに冷却流体流路１４が設けられた構成にすることにより、ＭＥＡ５から発する熱を冷却流体で効果的に放熱することができるため、端セパレータ側のＭＥＡ５の乾燥を抑制することができるため、安定した発電を行うことができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の燃料電池における集電板兼端セパレータに炭素材料を用いた場合のスタック断面を示した模式図である。

図４において、集電板兼端セパレータ２ａ，２ｂのうち、厚みが異なる構成を成し、厚みの厚い側の集電板兼端セパレータ２ｂの接する締結板１３には、弾性体１６を収めるための凹み部１５を設けている。

スタック１２は、アノードシール部材９及びカソードシール部材１０で両極のガスを封止しており、一定圧力で締結してＭＥＡ５と中間セパレータ４が密着し、接触抵抗を下げて効率的な発電を行う。このために締結板１３の少なくとも片側に弾性体１６を設ける。

弾性体１６は、スタック１２を片側から一定圧力で締結することができれば特に限定されないが、弾性力を保持しやすい圧縮コイルバネや板バネ、皿バネ及び竹の子バネなどを用いることができる。板バネは、凹み部１５の空間を少なくすることができ、燃料電池のサイズを小型化することが可能となる。また高架橋体のエラストマーとして、熱硬化性弾性体ならびに熱可塑性樹脂などを単体あるいは併用して用いることができる。

以上のように、本実施の形態においては、集電板兼端セパレータを炭素材料が主成分のセル積層体の積層方向両端に位置する一対の端セパレータとして構成し、一対の端セパレータのうち、少なくとも一方の端セパレータ側にバネなどの弾性構造が配置され、積層方向に加圧されて締結されており、弾性構造が配置された一方の端セパレータは、他方の端セパレータよりも強度が強い構成部材であることで、従来の金属集電板と比べ、部品点数を減らしつつ、低コスト化することができる。

［電流取り出し端子］
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の燃料電池における電流取り出し端子を有する集電板兼端セパレータの平面模式図である。

図５において、集電板兼端セパレータ２の片面に冷却流体流路１４またはアノードガス流路７ならびにカソードガス流路８（図示せず）が形成されている。カソードガスマニホールド入口１７から酸化剤ガスが入り、カソードガスマニホールド出口２０から余剰の酸化剤ガスが排出される。

冷却水マニホールド入口１８は、冷却水入口であり、冷却水マニホールド出口２１から排水される。また、アノードマニホールド入口１９からは、燃料ガスが入り、アノードマニホールド出口２２から未反応の燃料ガスが排出される。また、冷却水流路の周囲には環状シールライン２３が設置されている。

図５の電流取り出し端子１は、集電板２のカソードガスマニホールド入口１７の上部長辺側に継ぎ目無く設置されている。

以上のように、本実施の形態の燃料電池においては、スタックの鉛直上でかつ、カソードガスマニホールド入口１７に電流取り出し端子１を設置することで、電流取り出し端子１に接続される電流ケーブルとの接点部分にスタックの結露などによる水分が介するショートを防止することができる。また、集電板兼端セパレータ２ｃと同一材料の一体成型とすることで、電流取り出し部と集電板を別体にする場合と比べ、接触抵抗を低減させることができる。

電流取り出し端子１の表面には、適宜、金メッキなどの公知の方法によってコーティングすることができる。これによって、電流ケーブルとの間で発生する腐食を抑制することができる。

電流取り出し端子１には、接続する電流ケーブルとの接点の形状に合わせて、穿孔し、タップネジなどを設けることができる。特に厚みの厚い集電板である場合、比較的強度を保持させやすいため、簡便な手法で電流ケーブルと接続することが可能である。

（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６の燃料電池における電流取り出し端子を有する集電板兼端セパレータの平面模式図である。

図６に示すように、電流取り出し端子１が、冷却水マニホールド入口の直上に位置している。その他の構成は、図５と同じである。

図６の電流取り出し端子１は、集電板２の冷却水マニホールド入口の直上部位に継ぎ目無く設置されている。

以上のように、本実地の形態においては、スタックの鉛直上でかつ冷却水マニホールド入口近傍に電流取り出し端子１を設置することによって、電流取り出し端子１で発熱した場合であっても、効果的に熱を逃がすことができる。

（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７の燃料電池における電流取り出し端子を有する集電板兼端セパレータの平面模式図である。

図７に示すように、電流取り出し端子１は、冷却水マニホールド入口の鉛直上方を頂点とした山型になっている。その他の構成は、図６と同じである。

図７は、電流取り出し端子１が、冷却水マニホールド入口の鉛直上方を頂点とした山型に位置している。このような形状は、集電板兼端セパレータ２ｃと電流取り出し端子１のつなぎ目が９０度の角形状で繋がっていないため、局所的な応力が集中しにくく、比較的容易に強度保持することができる。

以上のように、これらの実施の形態１から７は、いずれか一つ乃至はこれら複数を組み合わせることによって、集電板兼端セパレータ２ａから２ｃと電流取り出し端子１を別部品とすることなく、外部からの応力によって破損しにくい形状をとることができる。

以上のように、本発明の燃料電池は、膜電極接合体の厚み方向に複数積層されたセル積層体を備え、セル積層体の積層方向両端に集電するための集電板を備えた燃料電池で、積層方向の両端に位置する一対の端セパレータは、炭素材料を主成分として構成され、かつ集電板を兼ねていると共に、一対の端セパレータの間に位置する中間セパレータよりも材料の電気抵抗が小さく、強度が高く、集電板として用いることができる。

さらに熱媒体を通流する流路を形成することで温度制御ができるため、部品点数を減らし、組立性を向上させ、コスト低減すると共に燃料電池の電圧安定性に寄与することができるため、高信頼性低コスト燃料電池の技術分野に有用である。

１電流取り出し端子
２ａ，２ｂ，２ｃ集電板兼端セパレータ
３，４，６中間セパレータ
５ＭＥＡ（膜電極接合体）
７アノードガス流路
８カソードガス流路
９アノードシール部材
１０カソードシール部材
１１冷却流体シール部材
１２スタック
１３締結板
１４冷却流体流路
１５凹み部
１６弾性体
１７カソードガスマニホールド入口
１８冷却水マニホールド入口
１９アノードガスマニホールド入口
２０カソードガスマニホールド出口
２１冷却水マニホールド出口
２２アノードマニホールド出口
２３環状シールライン
２４電解質膜

Claims

高分子電解質膜が一対の電解層の間に挟まれた構造の膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを有するセルが、前記膜電極接合体の厚み方向に複数積層されたセル積層体を備え、
前記セル積層体の積層方向両端に集電するための集電板を備えた燃料電池であって、
前記セル積層体の積層方向の両端に位置する一対の端セパレータは、炭素材料を主成分として構成され、かつ前記集電板を兼ねていると共に、一対の前記端セパレータの間に位置する中間セパレータよりも電気抵抗が小さく、強度が高い、
燃料電池。
前記端セパレータは、前記中間セパレータと比べ、少なくとも一方の前記端セパレータが他方よりも厚みが厚い、請求項１に記載の燃料電池。
前記中間セパレータは、炭素材料を主成分として構成され、前記端セパレータの炭素材料に含まれる炭素は、前記中間セパレータの炭素材料の炭素よりも、平均格子面間隔が狭い、もしくは、結晶子が大きい、
請求項１から２のいずれかに記載の燃料電池。
前記端セパレータに、前記セル積層体の温度制御を行うための熱媒体を通流する流路が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記セル積層体は、一対の前記端セパレータのうち、少なくとも一方の前記端セパレータ側に弾性構造が配置され、積層方向に加圧されて締結されており、
弾性構造が配置された一方の前記端セパレータは、他方の前記端セパレータよりも強度が強い、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。