JP4161622B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池にかかり、特に、複数のセルを積層すると共に、その積層端に集電極を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一対の電極の間にイオン交換膜を介挿して電気を発電するセルを構成し、これを複数積層する燃料電池が用いられている。そして、セルの積層端には、セルにて発電される電気を集電する略板状の集電極１０１（図７参照）が備えられている。この集電極１０１には、集電された電気を外部に送電するケーブル１０３が接続された集電端子１０２が形成されると共に、燃料電池自体の発電の際に出入される液体あるいは加湿ガスの出入口となるマニホールド部が当該集電極を貫通して形成されている。
【０００３】
ここで、上記集電極１０１は、セルにて発電された電気を集電すべく、金属製のプレートにて形成される。しかし、通常、アルミや銅のような電気抵抗の低い金属を使用すると、水（冷却水や加湿ガス）の存在で腐食（電食）が発生する。すると、このとき溶出した金属イオンがイオン交換膜等の電池部材（セル部）を汚染するため電池の性能、寿命の低下を起こす原因となる。従って、アルミや銅の上に耐腐食用の貴金属メッキをして使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように貴金属メッキを施したとしても、やはり長期にわたる耐食性が不十分であるため、依然として経時的に性能が低下するという問題が生じる。従来例では、ＳＵＳ（ステンレス）と金メッキとの組合せにて集電極を形成すると、比較的耐久性があり、これを使用しているケースが多いが、ＳＵＳそのものは電気抵抗が高いために、集電極でいくらか電圧損失（途中で熱に変わる）が起こるという問題が生じる。特に、セルの面積が大きくなればなるほど、図７に示すように、集電極から遠い箇所では電流の移動距離Ｌが長くなるため、損失も大きくなる。また、高電流になるほど、かかる損失が大きくなる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来例の有する不都合を改善し、特に、集電極における電圧損失の低減を図り、ひいては、燃料電池の高出力化及び高効率化を図ることができる燃料電池を提供することをその目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、一対の電極の間にイオン交換膜を介挿して成る略板状のセルを複数積層して備えると共に、当該積層されたセルにて発電される電気を積層端に位置するセルに当接して集電する略板状の集電極を備えている。そして、集電極を外周部分と外周部分に囲まれ且つ中央部を含む内側部分とから構成し、外周部分を導電性の高い部材にて形成し、内側部分を耐食性の高い部材にて形成し、集電極にて集電された電気を外部に送電するケーブルが接続された集電端子を、外周部分に設け、燃料電池自体の発電の際に出入される液体あるいは加湿ガスの出入口となるマニホールド部を、内側部分に設けた、という構成を採っている。
【０００７】
このような構成にすることにより、まず、マニホールド部周囲では、かかる箇所が耐腐食性の高い部材にて形成されているため、マニホールド部を出入する液体や加湿ガスにて集電極が腐食することが抑制される。そして、それ以外の箇所では、導電性の高い部材にて形成されているため、集電端子まで電気が流れる際における損失が抑制され、燃料電池の高出力化を図ることができる。
【０００８】
また、当該集電極の外周部分が前記積層したセルから外周方向に突出するよう集電極の外形をセルの外形よりも大きく形成すると望ましい。すなわち、集電極の外周部分の少なくとも一部は、セルよりも外側に突出している、ことが望ましい。
【０００９】
これにより、集電極の外周が導電性の高い部材にて形成されていることとなるため、当該外周を集電端子に至るまで電気が流れることとなる。そして、このとき、集電極の外周には電気が流れることで熱が発生するが、かかる部分は積層セルから突出した状態となっているため、効率よく外気に放熱をすることができ、より発電性能の向上を図ることができる。
【００１０】
また、上記構成において、導電性である集電極の外周部分を、高い熱伝導性をも有する部材にて形成することとすると望ましい。例えば、アルミニウム合金である。すると、熱伝導良好なアルミニウムが、集電極内部の熱を外周に吸い上げ、これにより、より放熱効率の向上を図ることができ、さらなる燃料電池の高出力化、高効率化を図ることができる。
【００１１】
そして、さらに、集電極の外周のうちセルから突出する箇所に、複数の切欠部や複数の貫通孔を形成することとすると、さらなる放熱性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、集電極の内部を、集電端子に導通する導電性の高い部材にて形成すると望ましい。これにより、集電極表面のマニホールド部周囲は耐食性を確保できると共に、その内部には電流が損失を抑制しつつ導通するため、燃料電池の高出力化、高効率化を図ることができる。
【００１３】
また、上記構成において、マニホールド部周囲自体を、集電極とは別部材にて形成してマニホールドユニットとすると共に、集電極にマニホールドユニットを挿通するよう当該集電極を貫通するマニホールドユニット収容穴を形成し、これにより、マニホールドユニットを集電極に対して着脱自在にしてもよい。このとき、マニホールドユニットを、樹脂部材にて形成すると望ましい。そして、マニホールドユニットのマニホールド部開口部が形成される面の周囲を、マニホールドユニット収容穴の形状よりも大きく形成してもよい。
【００１４】
これにより、集電極にマニホールドユニットを組み付けることで、耐食性のよい集電極を形成することができ、容易に製造することができる。また、集電極とマニホールドユニットとが別個の部材であるため、リサイクル性の向上をも図ることができる。そして、マニホールドユニットを樹脂にて形成することで、より耐食性を保持できると共に、軽量化やコストダウンを図ることができる。さらには、マニホールドユニットの外周を多少大きめに形成することで、マニホールドユニット収容穴にマニホールドユニットを押し込んで組み付けると、これらが密着して嵌合した状態となるため、Ｏリングなどを用いることなくシール性を高め、耐食性を維持することができる。
【００１５】
さらに、集電極のマニホールド部が形成されていない内側部分の表面を、導電性の弾性部材にて形成すると望ましい。これにより、集電極の表面に電気が通電可能となり、高出力化が促進されると共に、弾性部材がセルとの接触時の緩衝剤となり、均一な面圧を維持することができ、さらなる発電効率の向上を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〈第１の実施形態〉
以下、本発明の第１の実施形態を、図１乃至図４を参照して説明する。図１は、燃料電池の全体構成を示す斜視図である。図２は、集電極の構成を示す構成図である。図３及び図４は、集電極の他の構成例を示す構成図である。
【００１７】
（全体構成）
本発明の第１の実施形態における燃料電池は、図１に示すように、一対の電極の間にイオン交換膜を介挿して成る略板状のセル（図示せず）を複数積層（以下、セル部１という）して備えると共に、当該積層されたセルにて発電される電気を積層端に位置するセルに当接して集電する略板状の集電極２を備えている。この集電極２は、セル部１の両端に備えられている。但し、集電極２は、セル部１の両端にあることに限定されず、一端部のみに備えられていて、２つの端子を備えていてもよい。そして、セル部１の両端部、すなわち、セル部１を挟む２枚の集電極２のさらに外側には、これらが発電効率を向上させるよう密接させるべく両端から抑えつける締結プレート３が、それぞれ備えられている。そして、セル部１の両端部に位置する各集電極２にはケーブル４が接続されていて、セルにて発電される電力を取り出すというものである。ちなみに、燃料電池の基本構成については、既に公知であるため、その詳細な説明は省略する。そして、本発明では、特に上記集電極２に特徴があるため、以下にそれを詳述する。
【００１８】
（集電極）
集電極２は、図２に示すように、長方形の略板状である。従って、以下では、集電プレート２とも呼ぶ。この集電極２は、セル部１にて発電された電気を集電するものであるため、導電性部材にて形成されている。そして、当該集電極２の周囲の所定箇所には、集電された電気を外部に送電するケーブル４が接続された集電端子２１が形成されている。
【００１９】
そして、集電端子２１の形成箇所を含む集電極２の所定の幅からなる外周部分２２は、導電性の高い部材であるアルミニウム部材にて形成されている。また、アルミニウム部材は、同時に高い熱伝導性をも有する。
【００２０】
一方、これに対して、集電極２の外周部分２２以外の部分、すなわち、内側部分２３には、燃料電池自体の発電の際に出入される液体あるいは加湿ガスの出入口となるマニホールド部２４が集電極２を貫通して形成されている。そして、このマニホールド部２４を含む部分である内側部分２３は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）に金メッキを施した部材にて形成している。
【００２１】
このように、集電極２の内側部分２３の材質を従来例より用いられるＳＵＳに金メッキを施したものとし、外周部分２２は、アルミニウムを用いて２層化する。すると、マニホールド部２４周辺は、ＳＵＳ＋金メッキにて覆われているため、耐腐食性が高く、マニホールド部２４から流出した冷却水などによって腐食することが抑制される。また、その外周部分２２はアルミニウムであるため、集電極２にて集電された電気は、マニホールド部周辺であるＳＵＳから成る内側部分２３から電気抵抗の低いアルミニウムから成る外周部分２２の方に流れるため、すなわち、電流がアルミニウム部分を選択的に流れるため（図２（ａ）に示すように、電流が外周部分２２をバイパスするため）、電圧損失を抑えることができると共に、ＳＵＳ部の発熱の抑制を図ることができる。
【００２２】
ここで、集電極２の部材は、上述したようにＳＵＳに金メッキを施したものと、アルミニウム部材とから成るものに限定されない。マニホールド部周辺である内側部分２３は、耐腐食性の高い部材であればよく、また、外周部分２２は、熱伝導のよい部材ではなくてもよく、導電性の高い部材であればよい。
【００２３】
また、本実施形態では、上記集電極２の外周部分２２、すなわち、マニホールド部周囲ではなくアルミニウム部材にて形成されている部分は、積層したセル（セル部１）から外周方向に突出するよう大きく形成されている。換言すると、集電極２の外形は、セルの外形よりも大きく形成されている。すると、集電極２をセル部１の両端に装着したときには、図１に示すように当該セル部１から一回り集電極２の外周が突出した状態となる。このとき、突出する幅は、集電極２の外周部分２２であるアルミニウム部分全てであってもよく、その一部であってもよい。
【００２４】
このようにすることで、アルミニウムは高い熱伝導性を有するため、集電極２内部の熱を吸い上げることで、当該熱は露出している外周部分２２から放出される。すなわち、集電極２の突出している外周部分２２は、外気への放熱を行うフィンとしての役割を果たす。そして、例えば、燃料電池のサイズを、約３００ｍｍ（縦）×約３００ｍｍ（横）×約５００ｍｍ（積層方向幅）としたときに、ＳＵＳとアルミの電気抵抗の差や理論式や実験データにより、集電極２の突出している外周部分２２の幅、すなわち、図２（ａ）において符号Ｗで示す部分であるアルミ部分の幅は、約１５ｍｍ程度で十分であるため、格段に燃料電池自体が大型化することもないため、寸法上のデメリットは少ない。
【００２５】
このとき、上記外周部分２２すなわちセル部１から突出する箇所には、複数の切欠部２２ａや、複数の貫通孔２２ｂが形成されている。例えば、切欠部２２ｓはコ字状であり、貫通孔２２ｂは長方形であるが、かかる形状に限定されるものではない。このように、切欠部２２ａや貫通孔２２ｂを形成することで、さらなる放熱性の向上を図ることができ、集電極２の発熱を抑制し、安定した発電を図ることができる。但し、かかる部分に切欠部や貫通孔が形成されていることに限定されない。
【００２６】
また、本実施形態において、集電極２の構成、すなわち、耐腐食性が高い部分であるＳＵＳ部分と、導電性が高い部分であるアルミニウム部分の形状は、図３（ｂ）あるいは図４に示すような形状（変形例）であってもよい。図３（ｂ）及び図４は、それぞれ集電極２の一例を示している。ちなみに、ＳＵＳとアルミの接合は、ロウ付け（及びその他溶接）、摩擦圧接（接触部で発生する摩擦熱によって接合部を加熱したあと、加圧接合）、導電性接着剤、鋳造などで行われる。
【００２７】
ここで、図３（ａ）は、第１の参考例を示す。この図３（ａ）では、集電極２に長方形状のマニホールド部２４が３つずつほぼ二列に列を成して集約して配置されており、集約されたそれぞれの列がマニホールド部周辺部分２６となっている。そして、列を成すマニホールド部周辺部分２６のみがＳＵＳ＋金メッキにて形成されており、その他の部分２７はアルミニウム部材にて形成されている。換言すると、外周と中央部（図３（ａ）の影線部分）がアルミニウムにて形成されている。
【００２８】
このようにすることで、集電極２全体に対する導電性の高いアルミニウム部分の比率が増加するため、集電効率の向上を図ることができると共に、集電極２の軽量化をも図ることができる。そして、さらに、アルミニウムは靱性が高いため、表面が平坦でなくてもセルとの面圧が均一となり、集電効率の向上を図ることができる。すなわち、上述したように集電極２の表面がＳＵＳの場合には、当該ＳＵＳは剛性が高いため、表面が滑らかでないと面圧が不均一となり、セルとの接触が不十分となることにより集電効率が低下するが、かかる場合と比較するとその効果は十分である。
【００２９】
また、本実施形態の変形例である図３（ｂ）の例では、集電極２の内部を、集電端子２１に導通する導電性の高い部材にて形成している。具体的には、図３（ｂ）上図のＡ−Ａ断面図である下図に示すように、集電極２の中央内部は、外周部分同様にアルミニウムにて形成されている（符号２７にて示す）。すると、図３（ａ）に示すようにマニホールド部２４周辺以外の箇所をアルミが露出した状態では、長期的には表面での腐食も考えられるが、図３（ｂ）に示す例では、集電極２の表面にアルミが露出している面積を抑制できると共に、集電極２内部にはアルミを用いているため、集電効率を損なうことなく耐久性を維持できる。
【００３０】
また、本実施形態の他の変形例である図４の例では、集電極２のマニホールド部２４が形成されていない外周部分２２以外の部分２３の表面を、耐腐食性の高い且つ導電性の弾性部材にて形成している。ここで、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す集電極の断面の概略を示す断面図である。耐腐食性の高い且つ導電性の弾性部材とは、例えば耐腐食性の高い且つ導電性のゴム部材である。そして、具体的には、図４（ｂ）の断面図に示すように、図３（ｂ）にて示した集電極２と同様に、外周及び内部が導電性の高い部材であるアルミニウムにて形成されていて（符号２７にて示す）、その周囲が導電性ゴム部材にて覆われている（符号２６にて示す）。そして、さらに、導電性ゴム部材が設けられている箇所は、集電極２の厚み（断面幅）よりも厚く形成されている（図４（ｂ）参照）。
【００３１】
これにより、マニホールド部周囲は耐腐食性の高い導電性ゴムにて形成されていると共に、集電極２内部にはアルミを用いているため、上述した図３（ｂ）と同様に、集電効率を損なうことなく耐久性を維持できる。また、ゴム部分がその周囲よりも厚みを持って形成されているため、かかる部分がセル部１と当接して締結された場合には、当該ゴムが緩衝材となり当該セル部１との面圧がほぼ均一となると共に、ゴム自体にも電気が導通するため、発電効率の向上を図ることができる。
【００３２】
ちなみに、集電効率を維持するためには、上記導電性ゴムの替わりに、集電極の表面、すなわち、セル部１との接触面に、導電性塗料を塗布してもよい。
【００３３】
〈第２の参考例〉
続いて、第２の参考例について、図５乃至図６を参照して説明する。図５は、当該第２の参考例における集電極の構造を示す斜視図である。図６は、集電極の他の例を示す図である。
【００３４】
本参考例における集電極は、マニホールド部周囲自体が、集電極２とは別部材であるマニホールドユニット５１として形成され、集電極２には、マニホールドユニット５１を挿通するよう当該集電極２を貫通するマニホールドユニット収容穴５２が形成されている。
【００３５】
マニホールドユニット５１は、例えば、樹脂部材やゴムのような高分子材料にて形成されており、略長方形形状であるマニホールド部２４を内側面に形成する筒状体である。すなわち、マニホールド部２４毎にマニホールドユニット５１が形成されている。また、マニホールドユニット５１の材質は、不純物などが低抽出な材料、例えば、ＰＥＴ、ＰＰ、ＥＰＤＭなどであると、発電、集電に与える影響を抑制でき、有効である。
【００３６】
そして、マニホールドユニット収容穴５２は、マニホールドユニット５１の外形とほぼ同一の大きさかつ形状を有する集電極２を貫通する穴である。かかる穴５２にマニホールドユニット５１を嵌合したり、挿通して接着剤や焼き付けなどにより固定したりすることとで、集電極２上にマニホールド部２４を形成することができる。但し、マニホールドユニット５１は、樹脂部材にて形成されることに限定されない。
【００３７】
このように、マニホールドユニット５１を集電極２に対して着脱自在に構成することで、製造方法も簡易となる。すなわち、集電極２をアルミニウム部分（金属部分）と、マニホールドユニット５１である樹脂部分とにより、組付けが容易となり、さらに、リサイクル時の分別も容易となる。また、マニホールド部２４周辺となるマニホールドユニット５１を樹脂化することで、耐腐食性を確保することができると共に、マニホールド部周辺に貴金属メッキを使用することがないため、軽量化や原料のコストダウンを図ることができる。このとき、マニホールドユニット５１を、図５に示すように、マニホールド部５１毎に成形することで、樹脂部が集電極２自体を占める面積の割合が減少するため、通電の妨げとはならない。
【００３８】
また、上述したマニホールドユニット５１は、個々のマニホールド部２４毎に形成されていることに限定されない。複数のマニホールド部２４を一つのマニホールドユニット５１に形成してもよい。例えば、図６（ａ）の例に示すマニホールドユニット５１は、３つのマニホールド部２４である貫通孔をほぼ同一直線上に形成した略直方体形状のものである。このように、マニホールド部２４がある程度集約されて配置される場合には、これらを一つのマニホールドユニット５１に形成することで、樹脂などの部材にて成るマニホールド部周辺の面積の減少、部品点数の減少などを図ることができ、通電効率の悪化を抑制や組み付けの容易化、コストダウンを図ることができる。
【００３９】
そして、図５乃至図６（ａ）に示したマニホールドユニット５１は、図６（ｂ）、（ｃ）のように、マニホールドユニット収容穴５２に組み付けられる。例えば、図６（ｂ）に示すように、マニホールドユニット５１の外周にシリコン、エポキシ系接着剤５３を塗布して、当該ユニット５１を収容穴５２に固着する。また、別の例として、図６（ｃ）に示すように、マニホールドユニット５１のマニホールド部開口部が形成される面の周囲を、マニホールドユニット収容穴５２の形状よりも大きく形成して、はめ込むようにしてもよい。具体的には、まず、マニホールドユニット５１を気密性の高いゴム材（ＥＰＤＭやシリコン）にて形成し、また、マニホールドユニット５１のマニホールド部開口部が形成されている面のうち、一方の面の外周をマニホールドユニット収容穴５２よりも大きく形成する（図６（ｃ）の点線参照）。そして、これを矢印Ｂに示す方向に押し込むことにより、ユニット５１の収容穴５２よりも大きく形成した箇所の一部である点線にて示した部分は、収容穴５２の内壁に押圧されて、かかる部分が嵌合された状態となる。このようにすることで、マニホールドユニット５１自身がシール材として機能するため、Ｏリング等の取付が不要となり、組付けの容易化、部品点数の減少を図ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、集電極のうち、マニホールド部周囲を耐腐食性の高い部材にて形成すると共に、当該マニホールド部周囲以外であって集電端子に導通する箇所を導電性の高い部材にて形成したため、マニホールド部周囲では、マニホールド部から出入する液体や加湿ガスにて集電極が腐食することが抑制され、それ以外の箇所では、集電端子まで電気が流れる際における損失が抑制され、燃料電池の高出力化を図ることができる、という従来にない優れた効果を有する。
【００４１】
また、集電極の外周を導電性の高い部材にて形成し、さらに、積層したセルから外周方向に突出するよう集電極の外形をセルの外形よりも大きく形成することとすると、当該外周を集電端子に至るまで電気が流れることとなり、このとき、集電極の外周には電気が流れることで熱が発生するが、かかる部分は積層セルから突出した状態となっているため、効率よく外気に放熱をすることができ、より発電性能の向上を図ることができる。そして、導電性である集電極の外周部分を、高い熱伝導性をも有する部材、例えば、アルミニウム合金にて形成すると、集電極内部の熱を外周に吸い上げ、これにより、より放熱効率の向上を図ることができ、さらなる燃料電池の高出力化、高効率化を図ることができると共に、軽量化、コストダウンを図ることができる。
【００４２】
そして、さらに、集電極の外周のうちセルから突出する箇所に、複数の切欠部や複数の貫通孔を形成することとすると、さらなる放熱効率の向上を図ることができる。
【００４３】
なお、マニホールド部周囲自体を集電極とは別部材にて形成してマニホールドユニットとして、集電極に組み付けることでマニホールド部を形成することとすると、耐腐食性のよい集電極を形成することができると共に、容易に製造することができ、さらには、リサイクル性の向上をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態における燃料電池の全体構成を示す斜視図である。
【図２】 図２は、集電極の構成を示す構成図である。図２（ａ）は、その平面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大図を示す。
【図３】 図３（ａ）は、第１の参考例における集電極を示す平面図である。図３（ｂ）は、集電極の他の構成例を示す平面図である。
【図４】 図４は、集電極の他の構成例を示す図である。図４（ａ）は、斜視図を示し、図４（ｂ）は、断面図を示す。
【図５】 第２の参考例における集電極の構造を示す斜視図である
【図６】 第２の参考例における集電極の他の例を示す図である。図６（ａ）は、集電極の斜視図を示し、図６（ｂ）、（ｃ）は、部分断面図を示す。
【図７】 従来例における集電極の電気の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
１ セル部
２ 集電極
３ 締結プレート
２１ 集電端子
２４ マニホールド部
５１ マニホールドユニット
５２ マニホールドユニット収容穴
２２ａ 切欠部
２２ｂ 貫通孔

Claims (2)

1. 一対の電極の間にイオン交換膜を介挿して成る略板状のセルを複数積層して備えると共に、当該積層されたセルにて発電される電気を積層端に位置するセルに当接して集電する略板状の集電極を備えた燃料電池において、
   前記集電極を外周部分とこの外周部分に囲まれ且つ中央部を含む内側部分とから構成し、前記外周部分を導電性の高い部材にて形成し、前記内側部分を耐食性の高い部材にて形成し、
   前記集電極にて集電された電気を外部に送電するケーブルが接続された集電端子を、前記外周部分に設け、
   前記燃料電池自体の発電の際に出入される液体あるいは加湿ガスの出入口となるマニホールド部を、前記内側部分に設けた、
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記外周部分の少なくとも一部は、前記セルよりも外側に突出している、
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。

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