JP3640608B2 - 燃料電池における集電構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，燃料電池における集電構造，即ち，セルスタックの発電による電気出力を外部に取出すために用いられる集電構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，前記集電構造としては，例えば，セルスタックの両端部をそれぞれ導電性セパレータより構成し，それら導電性セパレータにそれぞれ集電プレートを直接，加圧接触させたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来の集電構造においては，マクロ的には導電性セパレータと集電プレートとが密着しているように見えても，ミクロ的にはそれらの間に無数の間隙が存在するため導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗が大となって，セルスタックの発電効率の低下を招く，という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗を小にし，延いては燃料電池の発電効率を向上させることが可能な前記集電構造を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば，導電性セパレータと，その導電性セパレータに向って０．５ＭＰａ以上の面圧で加圧される集電プレートと，前記導電性セパレータおよび前記集電プレート間に分散し，且つ前記加圧下で，それら導電性セパレータおよび集電プレートにより潰されるまで変形して該導電性セパレータおよび集電プレートに直接密着する複数の良導体と，それら良導体，前記導電性セパレータおよび前記集電プレートによる空隙を埋めると共に各良導体を前記導電性セパレータおよび集電プレート間に保持する導電性バインダとより構成され，集電プレートに対する前記加圧の前において，その集電プレートに吹付塗装した前記導電性バインダに，前記良導体の集合物である粉末が吹き付けられ，その粉末吹き付けによりその良導体が該導電性バインダと混合すると共に，その良導体の一部が該導電性バインダの表面上に露出することを特徴とする燃料電池における集電構造が提供される。
【０００６】
前記のように構成すると，集電プレートおよび導電性セパレータ間の空隙の大部分を複数の変形良導体によって埋め，また残余の空隙を導電性バインダにより埋めて，集電プレートおよび導電性セパレータ間を広い面積を以て電気接続することが可能であり，これにより集電プレートおよび導電性セパレータ間の接触抵抗を小にすることができる。また各良導体は導電性バインダにより集電プレートおよび導電性セパレータ間に保持されているので，それらの間から脱落することはない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１，２において，固体高分子型燃料電池１は角柱状セルスタック２を有し，そのセルスタック２は複数の単セル３を積層して構成されている。各単セル３は，電解質膜４と，その両側にそれぞれ密着する空気極５および燃料極６と，それら両極５，６にそれぞれ密着する一対の拡散層７，８と，それら両拡散層７，８に密着する一対の導電性セパレータ９，１０とよりなる。
【０００８】
電解質膜４は，プロトン伝導性を有する高分子イオン交換成分より構成されている。空気極５および燃料極６は，それぞれ，カーボンブラック粒子の表面に複数のＰｔ粒子を担持させた複数の触媒粒子と，バインダとよりなる。
【０００９】
各拡散層７，８は多孔質のカーボンペーパ，カーボンプレート等よりなり，また各導電性セパレータ９，１０は，同一の形態を有するように黒鉛化炭素より構成される。空気極５側の導電性セパレータ９に在って拡散層７と対向する複数の溝１１に空気が，また燃料極６側の導電性セパレータ１０に在って拡散層８と対向すると共に前記溝１１と交差する関係の複数の溝１２に水素がそれぞれ供給される。相隣る両単セル３の相互に接触する両導電性セパレータ９，１０間には複数の孔１３が形成され，それらの孔１３は冷却水用通路として用いられる。
【００１０】
セルスタック２は，その周囲を一対の空気マニホルド１４および一対の燃料マニホルド１５によって覆われている。各孔１３には，図示しない冷却水マニホルドが接続される。
【００１１】
セルスタック２の上端部を構成する導電性セパレータ９の上側には，そのセパレータ９側より順次，集電プレート１６，電気絶縁プレート１７，エンドプレート１８，皿ばね１９および締付プレート２０が配置される。一方，セルスタック２の下端部を構成する導電性セパレータ１０の下側には，そのセパレータ１０側より順次，集電プレート２１，電気絶縁プレート２２，エンドプレート２３および締付プレート２４が配置され，両締付プレート２０，２４間がセルスタック２の四隅に配置されたボルト２５およびナット２６により締付られる。
【００１２】
このような４組のボルト２５およびナット２６による締付力によって，両集電プレート１６，２１がそれぞれ対向する導電性セパレータ９，１０に向って加圧され，これにより集電プレート１６，２１と導電性セパレータ９，１０とが電気接続される。
【００１３】
この電気接続による集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の接触抵抗を小にすべく，次のような手段が講じられている。
【００１４】
即ち，図３に示すように，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間に，前記締付力による加圧下で変形して，それら９，１６；１０，２１に密着する複数の良導体２７を均一に分散させ，またそれら良導体２７，導電性セパレータ９，１０および集電プレート１６，２１による空隙を導電性バインダ２８により埋めたものである。
【００１５】
このような良導体２７は炭素材料，例えば黒鉛粒子よりなる。また導電性バインダ２８としては，導電性粉末を混入した合成樹脂材料，導電性塗料，導電性接着剤，導電性高分子等が用いられる。
【００１６】
前記のように構成すると，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の空隙の大部分を複数の変形良導体２７によって埋め，また残余の空隙を導電性バインダ２８により埋めて，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間を広い面積を以て電気接続することが可能であり，これにより集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の接触抵抗を小にすることができる。また各良導体２７は導電性バインダ２８により集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間に保持されているので，それらの間から脱落することはなく，したがって，小さな接触抵抗を確実に維持することができる。
【００１７】
各良導体２７は，変形前において略球形の粒子状をなし，それら粒子状良導体２７および導電性バインダ２８をボルト２５およびナット２６による締付前に集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間へ配置する場合，次のような方法が採用される。 即ち，集電プレート１６，２１に導電性バインダ２８を吹付塗布し，その吹付塗布したバインダ２８に粒子状良導体２７の集合物である粉末を吹付ける。その粉末吹付により，図４に示されるように粒子状良導体２７が導電性バインダ２８と混合すると共に，その粒子状良導体２７の一部が導電性バインダ２８の表面より露出する。
【００１８】
両集電プレート１６，２１は導線２９，３０を介して所定の負荷３１に接続される。
【００１９】
以下，具体例に付いて説明する。
【００２０】
〔Ｉ〕図４に示すように，ＪＩＳ ＳＵＳ３１６よりなる集電プレート（以下，ＳＵＳ集電プレートと称す）１６（または２１）に，Ｎｉ粉末を混入したフェノール樹脂よりなる導電性バインダ２８を吹付塗布し，次いで，そのバインダ２８に，良導体としての黒鉛粒子２７の集合物である粉末を，吹付量が約２０mg／cm2 となるように吹付け，その後導電性バインダ２８を熱硬化させた。これを例（１）とする。
【００２１】
次に黒鉛化炭素よりなる集電プレート（以下，カーボン集電プレートと称す）１６に，Ｎｉ粉末を混入したフェノール樹脂よりなる導電性バインダ２８を吹付塗布し，次いで，そのバインダ２８に黒鉛粒子２７の集合物である粉末を，前記の場合と略同じ吹付量となるように吹付け，その後導電性バインダ２８を熱硬化させた。これを例（２）とする。
【００２２】
〔II〕例（１）の黒鉛粒子２７を有する面と，黒鉛化炭素よりなる導電性セパレータ９（または１０）とを重ね合せ，次いで，両者を，それらの間に所定の面圧が生じるように加圧し，その後前記面圧下における例（１）および導電性セパレータ９間の接触抵抗を計測した。
【００２３】
例（２）についても前記と同様の方法で接触抵抗を計測した。さらに，例（１）と比較するため例（１ａ）として黒鉛粒子２７および導電性バインダ２８を持たないＳＵＳ集電プレート１６を用い，また例（２）と比較するため例（２ａ）として黒鉛粒子２７および導電性バインダ２８を持たないカーボン集電プレート１６を用いて，前記と同様の方法で接触抵抗を計測した。
【００２４】
表１は前記計測結果を示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１より，黒鉛粒子２７を用いることの意義が明らかである。また例（１），（２）において面圧が０．２ＭＰａでは黒鉛粒子２７の変形，つまり潰れが殆ど生じないが，面圧が０．５ＭＰａになると黒鉛粒子２７の潰れが生じるため，面圧０．２ＭＰａの場合よりも接触抵抗が極端に小となる。以後，面圧が高くなるに従って接触抵抗は小となる。
【００２７】
次に，ＳＵＳ集電プレート１６，２１およびカーボン集電プレート１６，２１として，縦１２０mm，横１００mm，厚さ５mmに設定されたものを用いて，前記同様の例（１），（２）を製作し，また前記同様の（１ａ），（２ａ）を用意した。また両導電性セパレータ９，１０として，ＳＵＳ集電プレート１６，２１およびカーボン集電プレート１６，２１との対向面の寸法をそれらプレート１６，２１と同一に設定されたものを用意した。そして，例（１），導電性セパレータ９，１０等を用いて単セル数が１００のセルスタック２を有する燃料電池１を製作した。この場合，例（１）および導電性セパレータ９，１０間の面圧は０．５ＭＰａであって，接触抵抗は表１より１．８Ωcm2 である。この燃料電池１を便宜上例（１）とする。
【００２８】
例（２），（１ａ），（２ａ）を用い，前記と同様の構造（前記面圧：０．５ＭＰａ）を有する三種の燃料電池１を製作した。便宜上，これらの燃料電池１のうち，例（２）を用いたものを例（２）とし，また例（１ａ）を用いたものを例（１ａ）とし，さらに例（２ａ）を用いたものを例（２ａ）とする。
【００２９】
その後，各燃料電池１について発電性能テストを行って，７０Ｖ発電時の発電電流密度を測定したところ，表２の結果を得た。
【００３０】
【表２】
【００３１】
図５は表２をグラフ化したものである。表２，図５より，前記接触抵抗が低いことに起因して，燃料電池１の例（１）は例（１ａ）よりも，また燃料電池１の例（２）は例（２ａ）よりもそれぞれ発電電流密度が高く，発電効率が向上していることが判る。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば前記のように構成することによって，導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗を小にし，延いては燃料電池の発電効率を向上させることが可能な，燃料電池における集電構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の要部破断正面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】図２の要部拡大図であり，集電構造を示す。
【図４】集電プレートと，導電性バインダと，黒鉛粒子との関係を示す断面図である。
【図５】燃料電池に関する７０Ｖ発電時の発電電流密度を示すグラフである。
【符号の説明】
１………………固体高分子型燃料電池
９，１０………導電性セパレータ
１６，２１……集電プレート
２７……………良導体
２８……………導電性バインダ
【発明の属する技術分野】
本発明は，燃料電池における集電構造，即ち，セルスタックの発電による電気出力を外部に取出すために用いられる集電構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，前記集電構造としては，例えば，セルスタックの両端部をそれぞれ導電性セパレータより構成し，それら導電性セパレータにそれぞれ集電プレートを直接，加圧接触させたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来の集電構造においては，マクロ的には導電性セパレータと集電プレートとが密着しているように見えても，ミクロ的にはそれらの間に無数の間隙が存在するため導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗が大となって，セルスタックの発電効率の低下を招く，という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗を小にし，延いては燃料電池の発電効率を向上させることが可能な前記集電構造を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば，導電性セパレータと，その導電性セパレータに向って０．５ＭＰａ以上の面圧で加圧される集電プレートと，前記導電性セパレータおよび前記集電プレート間に分散し，且つ前記加圧下で，それら導電性セパレータおよび集電プレートにより潰されるまで変形して該導電性セパレータおよび集電プレートに直接密着する複数の良導体と，それら良導体，前記導電性セパレータおよび前記集電プレートによる空隙を埋めると共に各良導体を前記導電性セパレータおよび集電プレート間に保持する導電性バインダとより構成され，集電プレートに対する前記加圧の前において，その集電プレートに吹付塗装した前記導電性バインダに，前記良導体の集合物である粉末が吹き付けられ，その粉末吹き付けによりその良導体が該導電性バインダと混合すると共に，その良導体の一部が該導電性バインダの表面上に露出することを特徴とする燃料電池における集電構造が提供される。
【０００６】
前記のように構成すると，集電プレートおよび導電性セパレータ間の空隙の大部分を複数の変形良導体によって埋め，また残余の空隙を導電性バインダにより埋めて，集電プレートおよび導電性セパレータ間を広い面積を以て電気接続することが可能であり，これにより集電プレートおよび導電性セパレータ間の接触抵抗を小にすることができる。また各良導体は導電性バインダにより集電プレートおよび導電性セパレータ間に保持されているので，それらの間から脱落することはない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１，２において，固体高分子型燃料電池１は角柱状セルスタック２を有し，そのセルスタック２は複数の単セル３を積層して構成されている。各単セル３は，電解質膜４と，その両側にそれぞれ密着する空気極５および燃料極６と，それら両極５，６にそれぞれ密着する一対の拡散層７，８と，それら両拡散層７，８に密着する一対の導電性セパレータ９，１０とよりなる。
【０００８】
電解質膜４は，プロトン伝導性を有する高分子イオン交換成分より構成されている。空気極５および燃料極６は，それぞれ，カーボンブラック粒子の表面に複数のＰｔ粒子を担持させた複数の触媒粒子と，バインダとよりなる。
【０００９】
各拡散層７，８は多孔質のカーボンペーパ，カーボンプレート等よりなり，また各導電性セパレータ９，１０は，同一の形態を有するように黒鉛化炭素より構成される。空気極５側の導電性セパレータ９に在って拡散層７と対向する複数の溝１１に空気が，また燃料極６側の導電性セパレータ１０に在って拡散層８と対向すると共に前記溝１１と交差する関係の複数の溝１２に水素がそれぞれ供給される。相隣る両単セル３の相互に接触する両導電性セパレータ９，１０間には複数の孔１３が形成され，それらの孔１３は冷却水用通路として用いられる。
【００１０】
セルスタック２は，その周囲を一対の空気マニホルド１４および一対の燃料マニホルド１５によって覆われている。各孔１３には，図示しない冷却水マニホルドが接続される。
【００１１】
セルスタック２の上端部を構成する導電性セパレータ９の上側には，そのセパレータ９側より順次，集電プレート１６，電気絶縁プレート１７，エンドプレート１８，皿ばね１９および締付プレート２０が配置される。一方，セルスタック２の下端部を構成する導電性セパレータ１０の下側には，そのセパレータ１０側より順次，集電プレート２１，電気絶縁プレート２２，エンドプレート２３および締付プレート２４が配置され，両締付プレート２０，２４間がセルスタック２の四隅に配置されたボルト２５およびナット２６により締付られる。
【００１２】
このような４組のボルト２５およびナット２６による締付力によって，両集電プレート１６，２１がそれぞれ対向する導電性セパレータ９，１０に向って加圧され，これにより集電プレート１６，２１と導電性セパレータ９，１０とが電気接続される。
【００１３】
この電気接続による集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の接触抵抗を小にすべく，次のような手段が講じられている。
【００１４】
即ち，図３に示すように，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間に，前記締付力による加圧下で変形して，それら９，１６；１０，２１に密着する複数の良導体２７を均一に分散させ，またそれら良導体２７，導電性セパレータ９，１０および集電プレート１６，２１による空隙を導電性バインダ２８により埋めたものである。
【００１５】
このような良導体２７は炭素材料，例えば黒鉛粒子よりなる。また導電性バインダ２８としては，導電性粉末を混入した合成樹脂材料，導電性塗料，導電性接着剤，導電性高分子等が用いられる。
【００１６】
前記のように構成すると，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の空隙の大部分を複数の変形良導体２７によって埋め，また残余の空隙を導電性バインダ２８により埋めて，集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間を広い面積を以て電気接続することが可能であり，これにより集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間の接触抵抗を小にすることができる。また各良導体２７は導電性バインダ２８により集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間に保持されているので，それらの間から脱落することはなく，したがって，小さな接触抵抗を確実に維持することができる。
【００１７】
各良導体２７は，変形前において略球形の粒子状をなし，それら粒子状良導体２７および導電性バインダ２８をボルト２５およびナット２６による締付前に集電プレート１６，２１および導電性セパレータ９，１０間へ配置する場合，次のような方法が採用される。 即ち，集電プレート１６，２１に導電性バインダ２８を吹付塗布し，その吹付塗布したバインダ２８に粒子状良導体２７の集合物である粉末を吹付ける。その粉末吹付により，図４に示されるように粒子状良導体２７が導電性バインダ２８と混合すると共に，その粒子状良導体２７の一部が導電性バインダ２８の表面より露出する。
【００１８】
両集電プレート１６，２１は導線２９，３０を介して所定の負荷３１に接続される。
【００１９】
以下，具体例に付いて説明する。
【００２０】
〔Ｉ〕図４に示すように，ＪＩＳ ＳＵＳ３１６よりなる集電プレート（以下，ＳＵＳ集電プレートと称す）１６（または２１）に，Ｎｉ粉末を混入したフェノール樹脂よりなる導電性バインダ２８を吹付塗布し，次いで，そのバインダ２８に，良導体としての黒鉛粒子２７の集合物である粉末を，吹付量が約２０mg／cm2 となるように吹付け，その後導電性バインダ２８を熱硬化させた。これを例（１）とする。
【００２１】
次に黒鉛化炭素よりなる集電プレート（以下，カーボン集電プレートと称す）１６に，Ｎｉ粉末を混入したフェノール樹脂よりなる導電性バインダ２８を吹付塗布し，次いで，そのバインダ２８に黒鉛粒子２７の集合物である粉末を，前記の場合と略同じ吹付量となるように吹付け，その後導電性バインダ２８を熱硬化させた。これを例（２）とする。
【００２２】
〔II〕例（１）の黒鉛粒子２７を有する面と，黒鉛化炭素よりなる導電性セパレータ９（または１０）とを重ね合せ，次いで，両者を，それらの間に所定の面圧が生じるように加圧し，その後前記面圧下における例（１）および導電性セパレータ９間の接触抵抗を計測した。
【００２３】
例（２）についても前記と同様の方法で接触抵抗を計測した。さらに，例（１）と比較するため例（１ａ）として黒鉛粒子２７および導電性バインダ２８を持たないＳＵＳ集電プレート１６を用い，また例（２）と比較するため例（２ａ）として黒鉛粒子２７および導電性バインダ２８を持たないカーボン集電プレート１６を用いて，前記と同様の方法で接触抵抗を計測した。
【００２４】
表１は前記計測結果を示す。
【００２５】
【表１】
表１より，黒鉛粒子２７を用いることの意義が明らかである。また例（１），（２）において面圧が０．２ＭＰａでは黒鉛粒子２７の変形，つまり潰れが殆ど生じないが，面圧が０．５ＭＰａになると黒鉛粒子２７の潰れが生じるため，面圧０．２ＭＰａの場合よりも接触抵抗が極端に小となる。以後，面圧が高くなるに従って接触抵抗は小となる。
【００２７】
次に，ＳＵＳ集電プレート１６，２１およびカーボン集電プレート１６，２１として，縦１２０mm，横１００mm，厚さ５mmに設定されたものを用いて，前記同様の例（１），（２）を製作し，また前記同様の（１ａ），（２ａ）を用意した。また両導電性セパレータ９，１０として，ＳＵＳ集電プレート１６，２１およびカーボン集電プレート１６，２１との対向面の寸法をそれらプレート１６，２１と同一に設定されたものを用意した。そして，例（１），導電性セパレータ９，１０等を用いて単セル数が１００のセルスタック２を有する燃料電池１を製作した。この場合，例（１）および導電性セパレータ９，１０間の面圧は０．５ＭＰａであって，接触抵抗は表１より１．８Ωcm2 である。この燃料電池１を便宜上例（１）とする。
【００２８】
例（２），（１ａ），（２ａ）を用い，前記と同様の構造（前記面圧：０．５ＭＰａ）を有する三種の燃料電池１を製作した。便宜上，これらの燃料電池１のうち，例（２）を用いたものを例（２）とし，また例（１ａ）を用いたものを例（１ａ）とし，さらに例（２ａ）を用いたものを例（２ａ）とする。
【００２９】
その後，各燃料電池１について発電性能テストを行って，７０Ｖ発電時の発電電流密度を測定したところ，表２の結果を得た。
【００３０】
【表２】
図５は表２をグラフ化したものである。表２，図５より，前記接触抵抗が低いことに起因して，燃料電池１の例（１）は例（１ａ）よりも，また燃料電池１の例（２）は例（２ａ）よりもそれぞれ発電電流密度が高く，発電効率が向上していることが判る。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば前記のように構成することによって，導電性セパレータおよび集電プレート間の接触抵抗を小にし，延いては燃料電池の発電効率を向上させることが可能な，燃料電池における集電構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の要部破断正面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】図２の要部拡大図であり，集電構造を示す。
【図４】集電プレートと，導電性バインダと，黒鉛粒子との関係を示す断面図である。
【図５】燃料電池に関する７０Ｖ発電時の発電電流密度を示すグラフである。
【符号の説明】
１………………固体高分子型燃料電池
９，１０………導電性セパレータ
１６，２１……集電プレート
２７……………良導体
２８……………導電性バインダ
Claims (1)
- 導電性セパレータ（９，１０）と，その導電性セパレータ（９，１０）に向って０．５ＭＰａ以上の面圧で加圧される集電プレート（１６，２１）と，前記導電性セパレータ（９，１０）および前記集電プレート（１６，２１）間に分散し，且つ前記加圧下で，それら導電性セパレータ（９，１０）および集電プレート（１６，２１）により潰されるまで変形して該導電性セパレータ（９，１０）および集電プレート（１６，２１）に直接密着する複数の良導体（２７）と，それら良導体（２７），前記導電性セパレータ（９，１０）および前記集電プレート（１６，２１）による空隙を埋めると共に各良導体（２７）を前記導電性セパレータ（９，１０）および集電プレート（１６，２１）間に保持する導電性バインダ（２８）とより構成され，
集電プレート（１６，２１）に対する前記加圧の前において，その集電プレート（１６，２１）に吹付塗装した前記導電性バインダ（２８）に，前記良導体（２７）の集合物である粉末が吹き付けられ，その粉末吹き付けによりその良導体（２７）が該導電性バインダ（２８）と混合すると共に，その良導体（２７）の一部が該導電性バインダ（２８）の表面上に露出することを特徴とする，燃料電池における集電構造。
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