WO2003088395A1

WO2003088395A1 - Pile a combustible a electrolyte polymerique

Info

Publication number: WO2003088395A1
Application number: PCT/JP2003/004723
Authority: WO
Inventors: Nobuhiro Hase; Kazuhito Hatoh; Hiroki Kusakabe; Hideo Ohara; Susumu Kobayashi; Soichi Shibata; Shinsuke Takeguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2003-10-23
Also published as: KR100552174B1; EP1422776A1; EP1422776A4; CN1312796C; JPWO2003088395A1; KR20030097887A; CN1516904A; US20080079186A1; US20040209151A1; US7294423B2

Description

明細書

高分子電解質型燃料電池技術分野

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージエネレーションシステム等に使用される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の集電板に関する。背景技術

固体高分子電解質型燃料電池は、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、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることで、電力を発生させるものである。

この燃料電池は通常、高分子電解質膜を挟むァノードおよびカソード，ァノードに燃料ガスを供給するァノード側セパレ一夕、およびカソ一ドに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレー夕からなる単位セルを複数個積層したセル積層体から構成される。セル積層体の両端には、電流を取り出す集電板、および外部との電気的絶縁を図る絶縁板を介して端板が重ねられ、両端板が締結手段により締結されて、セル積層体には適切な荷重の締結圧がかけられる。端板には、燃料ガス、酸化剤ガスおよびクーラントの供給 '排出のための手段が備えられる。このようにして燃料電池スタックと呼ばれるユニットが構成される。

セル積層体に燃料ガス、酸化剤ガス、およびクーラントを供給するため、両端に位置する集電板の少なくとも一方には、ガスまたはクーラントを流すための貫通孔が設けられる。この貫通孔部分の腐食を防止するため、および、隣接するセルのセパレー夕との接触抵抗を低減し、さらに集電板自体の面内方向の導電率を向上させて、電気抵抗によるロスを抑えるため、集電板はステンレス鋼や銅などの金属材料に、金メッキを施して使用するのが通例である。金メッキを施された集電板は、金メッキの膜厚が足りない場合、微小なピットが基点となり、いずれは腐食が進行してしまう。このため、ガス、クーラントを供給 ·排出するための貫通孔には、直接ガスが触れないように、防食のための構造が提案されている。

しかしながら、金メッキを施した金属製の集電板を用いるには、次のような問題があった。高分子電解質型燃料電池が正常に機能するためには、高分子電解質膜の含水率を高くしなければならないため、供給ガスや排出ガスは多くの水蒸気を含んでいる。そのため、金属製集電板は、供給ガスや排出ガスが触れる部分では、腐食が発生しやすい。ガスの供給路で金属の腐食が発生すると、生成する金属イオンが混入するため電解質膜の性能が低下する。また、クーラントの供給路に金属の腐食が発生すると、クーラントの絶縁性が低下し、リーク電流によって発電電力が低下する。

このような金属の腐食によるイオンの混入を防ぐためには、金メッキの膜厚を厚くするか、防食のための構造をとらなければならない。しかし、金メッキの厚みを厚くするとコストが格段に高くなつてしまう。また、防食のための構造をとると、新たに部品点数の増加や、工数の増加など、電池の構造や組立作業が煩雑になってしまう。腐食に伴うイオン流出の心配のない炭素材料で集電させる試みもある。しかし、炭素材料は、脆く、金属に比べて電気比抵抗が高いため、集電板の厚みを確保する必要があつた。発明の開示本発明は、改良された集電板を備える高分子電解質型燃料電池を提供するもので、この燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むァノードおよび力ソード、ァノ一ドに燃料ガスを供給するガス流路を有するァノード側セパレー夕、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレー夕からなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備する。本発明による前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マ二ホールドの近傍に設けられている, 前記端子部は、電気良導体の被覆層を有することが好ましい。

前記電気良導体の被覆層は、前記端子部から、前記入口側マ二ホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に有することがより好ましい。図面の簡単な説明

図 1は本発明による燃料電池スタックの構造の一例を示す一部を断面にした側面図である。

図 2は本発明の実施の形態 1における集電板の正面図である。

図 3は同じ集電板の背面図である。

図 4は図 2の I V— I V線断面図である。

図 5は集電板へのケーブルの別の接続例を示す要部の斜視図である。図 6は本発明の実施の形態 2における集電板の正面図である。

図 7は集電板の別の例を示す背面図である。

図 8は集電板と合わせて用いる絶縁板の一例を示す正面図である。図 9は本発明の実施の形態 3におけるァノ一ド側セパレ一夕の正面図である。

図 1 0は図 9のセパレー夕板に組み合わされる集電板の正面図である _t 図 1 1は図 1 0の X I— X I線断面図である。

図 1 2は本発明の実施の形態 3におけるカソード側セパレ一夕の正面図である。

図 1 3は図 1 2のセパレー夕板に組み合わされる集電板の正面図である。

図 1 4は図 1 3の X I V— X IV線断面図である。

図 1 5は別のァノ一ド側セパレー夕を示す正面図である。

図 1 6は図 1 5のセパレー夕に組み合わされる集電板の正面図である, 図 1 7は別のカソード側セパレー夕を示す正面図である。

図 1 8は図 1 7のセパレー夕に組み合わされる集電板の正面図である, 図 1 9は別の集電板の例を示す縦断面図である。

図 2 0は本発明の実施の形態 4におけるァノード側集電板の正面図である。

図 2 1は本発明の実施の形態 4におけるカソ一ド側集電板の正面図である。

図 2 2は本発明の実施の形態 5におけるァノ一ド側集電板の正面図である。

図 2 3は図 2 2のァノード側集電板の背面図である。

図 2 4は本発明の実施の形態 6におけるァノード側集電板の正面図である。

図 2 5は図 2 4の XXV-XXV線断面図である。

図 2 6は芯材金属板の表面に電気良導体層を形成した例を示す要部の拡大断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明者らは、腐食のおそれのない炭素材料を主とする板材または成形板を集電体に用いるべく検討した。その結果、集電板の電流取り出し端子部を、反応ガス、特に燃料ガスの入口側マ二ホールドの近傍に設けることにより、高分子電解質型燃料電池に特有の効果が得られることを見いだした。すなわち、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。さらに、水分を含んだ状態において水素イオン伝導性を発現する高分子電解質膜を効率的に加湿することができる。

電極の耐久性を向上させるには、電極を高加湿にして運転することが有効であると提唱されている。電極を高加湿にするには、高加湿にした反応ガスを電池に供給する取り組みがなされている。しかし、燃料ガスの加湿量を上げると、エネルギー効率が下がってしまう。本発明によれば、集電板の反応ガスの入口側マ二ホールドの近傍に端子部が設けられており、当該入口側マ二ホールドに近接した電極反応部における電流密度が上がり、これによつて反応により生成する水量が増し、電極を高加湿に保つことができる。

導電性の黒鉛板や、導電性炭素材料とバインダ一とのコンポジット材料からなる成形板よりなる集電板は、後述のように面方向の電気比抵抗が小さくなるよう電気的に異方性化されていても、金属製集電板に比べれば電気比抵抗が大きい。従って、集電板の面内において、端子部に近い方は遠い方に比べて端子部との間の電気抵抗は小さい。このため、端子部に近いところと遠いところとでは、電流密度に差が生じ、電流密度の高い前者では電極反応量が増す。電極における反応ガスの入口側での電流密度をより上げるには、集電板の端子部から、電極の反応ガス入口側に相当する部分にまたがって、電気良導体の被覆層を設けるのが好ましい。

このようにして、アノードの燃料ガス入口側における電流密度を上げると、これに対応する力ソード部分での反応による生成水が増し、これが逆拡散によってァノード側に移動する。このようにして電極部での生成水による加湿が期待できない反応ガス入口部、特に燃料ガス入口部付近を高加湿にすることにより、電極の耐久性を向上することができる。また、電池に供給する燃料ガスの加湿量を減らし、エネルギー効率を向上することができる。

本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の電流取り出し端子部分が、電気良導体である金属の膜または板からなる被覆層を有する。これによつて、金属よりも導電性の劣る炭素を用いることに起因する、端子部での電気抵抗によるロスが低減でき、しかも端子部の強度を向上することができる。さらに好ましい実施の形態においては、その被覆層を構成する金属板をセパレ一夕と重なるよう延長されている、すなわちセルスタックの締結圧がかかるようにされていることによって、より補強効果などを向上することができる。

本発明者らは、また、面方向の電気比抵抗が厚み方向、すなわちス夕ックの積層方向の電気比抵抗より小さい集電板を使用すべく検討を行つた。その結果、黒鉛化度の高い炭素材料とバインダーとのコンポジット材料を圧縮成形することにより、面方向の電気比抵抗の小さい、電気的に異方性化された集電板を得ることに成功した。この集電板は、薄型で金属イオンに起因する性能劣化を防止することができる。

本発明のさらに他の好ましい実施の形態においては、集電板がこれに接するセパレ一夕と一体化されている。これにより、部品点数の削減の他、接触抵抗に起因する電気抵抗によるロスを低減することができる。本発明の他の好ましい実施の形態においては、集電板の端子部に、電力を取り出すケーブルを接続する金属板が 2点以上で締結されている。これにより、集電板の端子部の割れを防止できる。

本発明に用いる導電性炭素を主成分とする集電板は、市販のグラッシ- カーボン板や膨張黒鉛板などの導電性炭素板に、切削加工やブラスト加ェ等によって所定の形状に加工したものが適する。前記の導電性炭素板は、面方向の電気比抵抗が 1 πι Ω · c m程度以下のものが好ましく用いられる。さらに好ましい集電板は、ポリフエ二レンサルファイド、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、もしくはエポキシ樹脂、フエノール樹脂等の熱硬化性樹脂、またはそれらの混合物に、黒鉛粉末を加えた成形材料を、圧縮成形、射出成形等によって所定の形状に加工したものである, これらの成形材料を板状に加工した後、切削加工やブラスト加工によつて所定の形状に加工したものを用いることもできる。これらの成形板は面方向の電気比抵抗が 5 πι Ω · c m程度以下のものが好ましく用いられる。

燃料電池のセパレー夕が成形によって作られる場合、集電板をそれと同じ成形材料で作製することは、材料コストの上昇を抑える意味で望ましい。集電板の厚みについては、端子部とそれ以外の部分とで厚みを変えてもよい。厚みを変える場合には、端子部の根元の部分で応力集中による素材の破壊が発生しないよう、曲面によって段差を緩和する構造にすることが望ましい。また、集電板の厚みは、破壊しない程度の値、少なくとも 3〜 6 m m程度とすることが必要である。

以下、本発明を実施の形態によりさらに詳しく説明する。実施の形態 1

図 1は本実施の形態における高分子電解質型燃料電池スタックの一例を示す。 1で表す電解質膜電極接合体（M E A ) は、高分子電解質膜およびこれを挟むアノードおよび力ソードからなる。高分子電解質膜は、電極より一回り大きなサイズを有する。高分子電解質膜の周縁部はガスケットにより挟まれている。そのような M E Aの構造はよく知られたものである。この M E A 1はセパレー夕と交互に積層されている。セパレー夕は，片面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に燃料ガスの流路を有する力ソ一ド側セパレー夕とァノ一ド側セパレー夕を兼ねる単一のセパレ一タ 2と、力ソード側セパレ一夕とアノード側セパレ一夕との両者間にク一ラントの流路を設けた複合セパレー夕 2 Aとの 2種類が用いられている _t 前記のセルの積層体の上端には、力ソード側の集電板 3 aおよび絶縁板 4 aを介して端板 5 aが、また積層体の下端にはァノード側の集電板 3 bおよび絶縁板 4 bを介して端板 5 bがそれぞれ重ね合わされている, 端板 5 aおよび 5 bは、ボルト 6およびナット 8により締結されて、セルの積層体には所定の荷重が印加される。 7はばねを表す。端板 5 aには、反応ガスおよびクーラントの出入口が設けられている。図では、酸化剤ガスの出口 1 1、燃料ガスの入口 1 2およびクーラントの出口 1 3 が示されている。こうして高分子電解質型燃料電池ス夕ック 1 0が組み立てられる。

集電板 3 aおよび 3 bは、それらの端子部 1 5 aおよび 1 5 bがセル積層体の側面に突出しており、それらの端子部に、電力取り出しケープル 1 6 aおよび 1 6 bが金具 1 5 aおよび 1 5 bによりそれぞれ接続されている。図 1では、集電板 3 aおよび 3 bは、それぞれ力ソード側セパレ一夕およびアノード側セパレ一夕を兼ねるものとして示されているが、後に詳しく説明するように、集電板はそれらに限られるものではない。

図 2〜 4はカソ一ド側セパレー夕を兼ねる集電板を示す。図 2はその集電板の力ソード側の正面図、図 3はその背面図、図 4は図 2の I V— I V 線断面図である。図 3では電力取り出し用ケーブル、およびそれを接続するための金属板などは省いている。

この集電板 3 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 3 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 3 2およびクーラント用マ二ホールド孔 3 3を有する。集電板 3 0は、力ソードと対向する面に、一対のマ二ホールド孔 3 1を連絡する酸化剤ガスの流路 3 4を有する。集電板 3 0は、絶縁板と対向する面には、各マニホ一ルド孔 3 1 、 3 2および 3 3を囲む Oリングをはめる溝 3 7 、 3 8および 3 9を有する。これらの溝に填め込まれた 0リングが、集電板と絶縁板との間で圧縮されて、各マ二ホールド孔からガスおよびクーラントが漏れるのを防止する。

集電板 3 0は、さらに 2つの穴 3 6を持つ端子部 3 5を有し、その端子部にはこれを挟む 2枚の金属板 4 5がビス 4 6とナット 4 7により取り付けられている。 4 8はばねヮッシャ、 4 9は平ヮッシャである。金属板 4 5には、電力取り出し用ケーブル 4 0の芯線 4 1がはんだ 4 2により接続されている。図 2において、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 3 1および燃料ガス用マ二ホールド孔 3 2のうち、端子部 3 5に近い方のマ二ホールド孔が入口側である。

集電板 3 0の端子部 3 5と電力取り出しケーブル接続用の金属板 4 5 との間の接続箇所は、特に限定されるものではないが、図 2および図 3 に示すように、 2点またはそれ以上で接続するのが好ましい。それは、接触面圧の均一化により抵抗分によるロスが緩和されるとともに、締結によって発生する応力が平準化されやすいためである。また、ここに示したように、端子部の両面に金属板を接続する他、片面だけに金属板を接合することもできる。しかし、両面に金属板を接続する方が、接触面を増やし接触抵抗を低減する効果がある。さらに、端子部に発生する応力が均一化され、締め付け力の過多による破壊を防ぐ効果も得られる。図 5は、集電板 3 0の端子部 3 5に、電力取り出しケーブル 4 0を接続する他の例を示す。ケーブル 4 0をはんだ付けした U字状の接続金具 4 3に、集電板 3 0の端子部 3 5を嵌合し、穴 3 6を貫通するビス 4 4 により両者を固定している。

ここでは、燃料電池スタックの締結にポルト、ばね、ナットからなる締結手段を用いたが、他の締結手段に変更してもよい。集電板の端子部に電力取り出しケーブルを接続するために、端子部に穴を開け、ビスとナットで金属板を接続したが、他の接続法をとることもできる。例えば. 端子部 3 5にねじ穴を形成し、電力ケーブルを接続した圧着端子を前記穴にねじ止めによって接続してもよい。電気的接続を安定して保持できる別の接続方法を採ってもよい。

また、電力取り出しケーブルとケーブルを接続する金属板とは、はんだで接続したが、かしめによって圧着する等、電気的に良好な接続を保持できる方法であれば、どのような方法でもよい。ケーブルを接続する金属板の材質は、接触抵抗が低い金属材料を用いればよい。例えば、電気抵抗が低く、加工性の良好なりん青銅、銅などの金属を用いることができる。実施の形態 2

集電板の端子部における抵抗ロスを低減させる方法について説明する, 図 6は本実施の形態における集電板のカソード側の正面図である。集電板 3 O Aは、その端子部 3 5の両面に、厚み 1 m程度の金属膜 5 0 を形成している。この他の構成は、図 2に示した集電板 3 0と同様である。この金属膜 5 0により、集電板の端子部 3 5と電力取り出しケープルを接続する金属板などとの間の接触抵抗を低減することができる。図 7は集電板のさらに他の例を示す。集電板 3 0 Bは、絶縁板と対向する面の実質全面に、厚み数 m〜数十// m程度の金属膜 5 1を形成している。この金属膜により、集電板の面内方向の導電性を向上でき、抵抗ロスがさらに低減できる。この場合、金属イオンの溶出による性能低下を防ぐため、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントと接触する箇所には金属膜を形成しないことが望ましい。この例では、各マ二ホールド孔を囲む Oリングを装着するための溝 3 7、 3 8および 3 9から若干外側に離れた位置までは金属膜を形成していない。金属膜を形成する金属としては、銅やアルミの他、導電性が付与できる素材を用いればよい。膜の形成法としては、例えば蒸着や溶射が利用できるが、所定の厚膜を短時間で形成できる点で溶射が好ましい。その他の構造は、実施の形態 1と同様である。

図 8は図 2または図 6の集電板の背面に設置される絶縁板を表す。この絶縁板 6 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 6 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 6 2およびクーラント用マ二ホールド孔 6 3を有する, 実施の形態 3

本実施の形態では、セパレ一夕とは別個の独立した集電板について説明する。

図 9はアノード側セパレー夕の正面図、図 1 0はそのアノード側セパレー夕に接する集電板の正面図である。図 1 2はカソ一ド側セパレー夕の正面図、図 1 3はそのカソ一ド側セパレー夕に接する集電板の正面図である。

ァノード側セパレー夕 1 1 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 1 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 1 2およびクーラント用マニホ一ルド孔 1 1 3を有し、アノードと対向する面に、一対のマ二ホールド孔 1 1 2を連絡する燃料ガスの流路 1 1 6を有する。このセパレー夕 1 1 0の背面に配置される集電板 1 2 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 2 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 2 2およびクーラント用マ二ホールド孔 1 2 3を有する。集電板 1 2 0は、端子部 1 2 5を、セパレー夕 1 1 0の燃料ガスのマ二ホールド孔のうち入口側マ二ホールド孔（ガスの流れ方向を示す矢印から明らかなように、図では左上の方のマ二ホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部 1 2 5、およびこれに連なる部分、すなわちセパレー夕 1 2 0の前記入口側マ二ホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域 1 2 6には、電気良導体の被覆層 1 2 7が設けられている。前記の領域 1 2 6は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層 1 2 7を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている < 端子部 1 2 5には、電流取り出し用ケーブルに接続するための金属板を取りつける孔 1 2 8を有する。

カソード側セパレー夕 1 3 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 3 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 3 2およびクーラント用マニホ一ルド孔 1 3 3を有し、力ソードと対向する面に、一対のマ二ホールド孔 1 3 1を連絡する酸化剤ガスの流路 1 3 4を有する。このセパレ一夕 1 3 0の背面に配置される集電板 1 4 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 4 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 4 2およびクーラント用マ二ホールド孔 1 4 3を有する。集電板 1 4 0は、端子部 1 4 5を、セパレ一夕 1 3 0の酸化剤ガスのマ二ホールド孔 1 3 1のうち入口側マ二ホールド孔（図では右上の方のマ二ホールド孔）近傍に、外側へ突出するように設けている。この端子部 1 4 5、およびこれに連なる部分、すなわちセパレー夕 1 3 0の前記入口側マ二ホールド孔およびこれに連なるガス流路の入口側に対応する領域 1 4 6には、電気良導体の被覆層 1 4 7が設けられている。前記の領域 1 4 6は、厚みが他の部分より薄くしてあり、ここの両面に被覆層 1 4 7を設けることにより他の部分と同じ厚みとなるようにしている。端子部 1 4 5には、電流取り出し用ケ一ブルに接続するための金属板を取りつける孔 1 4 8を有する。

図 9および図 1 0から明らかなように、集電板 1 2 0の端子部 1 2 5 の被覆層 1 2 7は、セパレー夕板 1 1 0におけるガス流路 1 1 6の入口側に対応する部分まで伸びている。金属膜または金属板からなる被覆層 1 2 7は、炭素材料を主とする他の部分より電気抵抗が小さいから、発電時に端子部 1 2 5から電流が取り出される際、電流密度は前記の部分で高くなる。これによつて、セルの電極反応は、ガス流路 1 1 6の入口側において優先的に進行する。同様に、力ソード側においても、ガス流路 1 3 4の入口側において優先的に進行する。このようにして各セルでは、ガスの入口側マ二ホールド孔に近い方で反応により生成する水の量が多くなり、その下流へ供給される反応ガスを加湿することとなる。図 1 0および図 1 3に示されるように、ァノード側集電板の端子部 1 2 5とカソード側集電板の端子部 1 4 5が互いに向き合うように、すなわち燃料ガスの入口側マ二ホールド孔および酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔を近接して設けるのが好ましい。

上記のセパレー夕と集電板の組み合わせの変形例を図 1 5〜 1 8に示す。

図 1 5に示すァノ一ド側セパレー夕 1 1 0 Aは、酸化剤用マ二ホールド孔 1 1 1 Aの位置を変えた他は図 9のセパレー夕 1 1 0と同様である, このセパレー夕 1 1 0 Aの背面に配置される集電板 1 2 0 Aは、酸化剤用マ二ホールド孔 1 2 1 Aの位置が異なることおよび被覆層 1 2 7 Aの形状が若千異なる他は図 1 0の集電板 1 2 0と同様である。

また、図 1 7に示すカソ一ド側セパレー夕 1 3 0 Aは、酸化剤用マ二ホールド孔 1 3 1 Aの位置を変えた他は図 1 2のセパレー夕 1 3 0と同様である。このセパレー夕 1 3 0 Aの背面に配置される集電板 1 4 0 A は、酸化剤用マ二ホールド孔 1 4 1 Aの位置が異なることおよび被覆層 1 4 7 Aの形状が若千異なる他は図 1 3の集電板 1 4 0と同様である。ここに示した被覆層 1 2 7 、 1 2 7 A、 1 4 7および 1 4 7 Aは、実施の形態 2で説明した金属膜により形成することができる。しかし、より好ましい実施の形態においては、被覆層は金属板により形成される。前記の被覆層が金属板で形成され、図 9に示されるように、その一部が集電板に積層されるセパレー夕の投影面積の内側に入り込むようにされるのが好ましい。そのように構成されると、金属板には、スタックの締結荷重がセパレー夕と集電板との間で荷重される。そうすると金属板はスタックの締結荷重に応じて強固に固定される。金属板は、集電板の端子部をも被覆しているから、端子部に接続されたケーブルにより端子部の根本部にかかる応力を有効に緩和する働きをする。

前記の金属板は、集電板に導電性接着剤ゃシリコーン接着剤等の弾力性を有する接着剤で固着させるのが好ましい。シリコーン接着剤等の絶縁性接着剤は、集電板と金属板との間の特定領域に介在させ、集電板の特定部分の電流密度を制限するのに便利である。

図 1 9は集電板 1 2 0の部分 1 2 6に導電性接着剤 1 2 9により金属板 1 2 7を接着した例を示している。このように金属板が接着剤により集電板に固着されると、集電板と金属板の段差がなくなり、端子部の応力緩和にはより有効である。金属板と集電板とを導電性接着剤により接着した場合は、接着剤を用いないものに比較して、集電板の端子部で 3 O Aの電流を取り出すとき、スタック両端の集電板間で約 5 m V電圧が高いことが確認された。実施の形態 4

本実施の形態における集電板を図 2 0及び図 2 1に示す。

図 2 0はァノード側の集電板の正面図である。この集電板 1 2 0 Bは，端子部 1 2 5 Bおよびこれに連なる部分に被覆層 1 2 7を有しない他は図 1 0の集電板と同様の構造を有し、図 9に示すァノ一ド側セパレー夕 1 1 0の背面に配置される。

図 2 1は力ソード側の集電板の正面図である。この集電板 1 4 0 Bは, 端子部 1 4 5 Bおよびこれに連なる部分に被覆層 1 4 7を有しない他は図 1 3の集電板と同様の構造を有し、図 1 2に示すカソ一ド側セパレー夕 1 3 0の背面に配置される。

ここに示した集電板は、いずれも炭素材料とバインダ一のコンポジット材料の成形体から構成されている。そのため、発電時には、端子部に近いところ、すなわちガスの入口側マ二ホールド孔の近傍で電流密度が高くなり、実施の形態 4と同様に、ガスを加湿する効果が発揮される。実施の形態 5

本実施の形態では、セパレー夕を兼ねる集電板の例を説明する。

図 2 2はァノード側セパレー夕を兼ねる集電板の正面図、図 2 3はその背面図である。この集電板 1 5 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 5 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 5 2およびクーラント用マ二ホールド孔 1 5 3を有し、アノードと対向する面に、一対のマニホ一ルド孔 1 5 2を連絡する燃料ガスの流路 1 5 6を有する。集電板 1 5 0 は、ァノード側マ二ホールド孔 1 5 2のうち入口側のマ二ホールド孔

(図 2 2において左上の方のマ二ホールド孔）の近傍に端子部 1 5 5を有し、その背面にはマ二ホールド孔 1 5 1の近傍まで伸びた被覆層

1 5 7を有する。この被覆層の構成は、集電板の背面にのみ形成されている他は、実施の形態 3で説明した集電板 1 2 0などと同様である。ここでは、アノード側の集電板について説明したが、同様に、力ソード側セパレー夕を兼ねた集電板を構成することができることは当業者には容易に理解されるであろう。実施の形態 6

本実施の形態では、芯材となる金属板を埋め込んだ集電板について説明する。

図 2 4は本実施の形態の集電板の正面図、図 2 5は図 2 4の XXV-XXV線断面図である。集電板 1 6 0は導電性炭素材料とバインダ一からなる成形材料により芯材金属板を包囲するように成形したものである。集電板 1 6 0は、各一対の酸化剤ガス用マ二ホールド孔 1 6 1、燃料ガス用マ二ホールド孔 1 6 2およびクーラント用マ二ホールド孔 1 6 3を有し、側面に突出させて端子部 1 6 5を有する。この集電板に埋め込まれた金属板 1 6 7は、外部へ露出する部分がないように、外形は集電板のそれより小さいサイズであり、かつ各マ二ホールド孔に対応する部分ではマ二ホールド孔より径の大きい孔を有する。

図 2 6は、芯材金属板の表面に電気良導体層 1 6 9を形成した例を示す。この層により、成形材料からなる層と芯材金属板との接触抵抗を低減し、集電板の電気特性を向上することができる。そのような層を形成するには、芯材金属板の表面の酸化物をあらかじめ除去し、その上に貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物の層を形成して電気良導体層とすることができる。

黒鉛 8 0 w t %およびフエノール樹脂 2 0 w t %の混合物からなる成形用導電性材料を用い、芯材金属板を包み込むようにして集電板を成形した実施例を以下に説明する。まず、金型に成形用コンパウンドを 5 0 g均一に充填し、型締め圧 1 0 0 k g f Z c m²にて予備圧縮を行った。この時金型温度は 7 0でであった。次に、金型を開き、金属板を挿入し、その上から成形用コンパゥンドを 5 0 g充填し、金型を型締め圧 5 0 0 k g f ノ c m ²で締め、温度を 1 6 0でまで上昇させた。こうして作製した集電板は、導電性成形材料のみで作製した集電板（厚み 7 m mm m) に比較し、強度的に強く、かつ電気抵抗も低いため、集電板厚みを 4 mmと薄くすることが可能となった。芯材には、厚み 2 m mの黄銅板を用いた。集電板には、図 2 4 に示すように、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラント用の各一対のマ二ホールド孔を設けた。マ二ホールド孔の内面は導電性成形材料で覆われており、芯材金属板と各マ二ホールド孔を流れる流体が接しないような構造とした。この集電板を用いたスタックを作製し、クーラントに純水を用いて発電テストを 1 0 0時間行った。積層セル数は 5 0セルであつた。比較例として黄銅のみの集電板を用いた 5 0セルのスタックも同様にテストした。その結果、比較例の黄銅製集電板に設けられたクーラント用マ二ホールド孔の内面には腐食が確認されたが、本実施例の集電板のマ二ホールド孔の内面には腐食は確認されなかった。クーラントに用いた純水をテスト終了後に分析した。その結果、黄銅製集電板を用いたス夕ックの冷却水からは 1 0 0 p p mの銅イオンと 8 0 p p mの亜鉛イオンが検出された。一方、本実施例のスタックのクーラントからは金属イオンは検出されなかった。導電性成形材料で金属芯材を覆うことにより、強度および電気導電性を確保し、低コストと不純物の溶出削減を行わせることが可能となる。

以下に、芯材の金属板の表面に、電気良導体層を形成する例を具体的に説明する。

( 1 ) 厚さ 1 m mの黄銅板の表面に、 R F —プレナマグネトロンを用いたスパッ夕法により、白金または金の層を 1 2 0 Aの厚さに形成した < ターゲットには、白金（ 9 9 %) または金（ 9 9 %) を用い、基板温度は 5 0 0でとした。スパッ夕雰囲気は、 4 X 1 0— ²Torrの A r

( 9 9. 9 9 9 9 %) とし、スパッ夕電力は 4 0 0 W、成膜速度は 1. 5 m/時間となるようにした。

( 2 ) 厚さ l mmの T i板の表面に、 R F—プレナマグネトロンを用いたスパッ夕法により、 T i N層を 1 Ai mの厚さに形成した。夕ーゲットには、 T i N ( 9 9 %) を用い、基板温度は 5 0 0でとした。スパッ夕雰囲気は 4 X 1 0— ²Torrの A r ( 9 9. 9 9 9 9 %) とし、スパッ夕電力は 4 0 0 W、成膜速度が 1. 5 /xmZ時間となるようにした。得られたスパッ夕層は、 X線回折による構造解析により、 T i Nと同定された。この方法で得られた T i N層の比抵抗は、 2 X 1 0— ⁴Ω c mであつた。

( 3 ) 厚さ 1 mmの A 1板の表面に、 R F—ダイオードを用いたスパッ夕法により、 T i — A l — N層を 1. 2 mの厚さに形成した。夕一ゲットには、 T i — A 1 —N (9 9 %) を用い、基板温度は 3 0 0でとした。スパッタ雰囲気は 4 X 1 0— ²Torrの A r ( 9 9. 9 9 9 %) 、スパッタ電力は 3 0 0 W、成膜速度は 1. 0 m/時間となるようにした, この方法で得られた T i - A 1 — N層の比抵抗は、 1 X 1 0— ³ Ω c mであった。

(4) 金属基板上に n型ドープした S i C層の形成方法を示す。成膜方法は、 1 4. 5 6 MH zの高周波グロ一放電分解法を用い、被分解ガスは、水素で希釈したシラン、メタン（CH₄) 、ジボラン（P H₃) を, P （ S i + C) = 1 0原子％となる比率で混合し、全体を 1 0 Torrとし、基板温度 3 0 0でで行った。このとき、成膜時間を制御することで, η型ドープした S i C層の膜厚を 1 0 0 0 Aとした。成膜後、 S i C層の上に、金電極を蒸着し、 S i C層の比抵抗を測定したところ、 5 0 Ω · c mであった。

( 5) 厚さ l mmのステンレス鋼 S U S 3 1 6板の表面に、真空加熱蒸着法により P b層を 1 /zmの厚さに形成した。このときの蒸着条件は， 1 X 1 0— ⁷Torrの A r ( 9 9. 9 9 9 9 %) 雰囲気で、基板温度は 2 0 0 とした。次に、この P b蒸着ステンレス鋼板の P b蒸着面に、 P b〇層をスパッタ法により形成した。形成条件は、酸素分圧が

2 X 1 0 — ⁴Torrの A r ( 9 9. 9 9 9 9 %) 雰囲気、基板温度を 2 0 0 °C、成膜速度 3 ^mZ時間となるようにスパッ夕電力を制御した。得られたスパッ夕層は、 X線回折による構造解析により P b Oと同定された _t この方法で得られた P b〇層の比抵抗は、 5 X 1 0— ⁵Ω c mであった。また、酸化スズを用いた例では、板厚 l mmのステンレス鋼 S U S 3 1 6表面に I nをドープした酸化スズの層を真空電子ビーム蒸着法により 0. 5 mの厚さに形成した。蒸着時の真空度は 5 X 1 0— ⁶Torrの A rガス雰囲気で、基板温度は 3 0 0 とした。

以上のようにして表面処理した芯材金属板を埋め込んだ炭素成形材料からなる集電板は、未処理の金属板を用いた集電板に比べて電気特性は向上し、電圧ロスが少なくなることが確認された。実施の形態 7

本実施の形態では、集電板とスタック締結用端板とを一体に成形した例を説明する。この集電板は、電気抵抗を極めて低く保っためにスタツク積層方向に板厚を大きくした。集電板は黒鉛板で作製し、その板厚は 7 0 mmであった。この黒鉛板の電気比抵抗は、面方向が l mQ ' c m. 厚み方向が 1 Ο Ο πιΩ · c mであった。板厚が 7 0 mmもあるので、集電板を含めたセル積層体をボルト、ナット、ばね等の締結部材によって所定の荷重で締結した。事前に感圧紙で電極への締結面圧を確認したところ、 1 0 k g f Z c m ²の面圧が電極にかかっており、集電板にクラック、顕著なひずみ等は確認されなかった。その際、ボルトの周囲には厚み 0 . 5 mmのポリテトラフルォロエチレン製テープを巻き、ばねが集電板と接する部位には、ポリフエ二レンサルフアイド製の厚さ 5 mmのスぺーサを介して締結した。こうして高分子電解質型燃料電池ス夕ックを完成させた。

集電板は、その端部に端子部を備え、そこに電力取り出しケーブルを接続した。端子部の詳細な構造は実施の形態 1 と同様である。

締結用ボルトの一部を用いてスタツクを評価台に固定し、酸化剤ガス、燃料ガスおよびクーラントを供給して発電させたところ、電流密度 0 . S A Z c m ²まで電流をとることに問題のないことが確認された。ここでは、端板を一体にした集電板の例を説明したが、この集電板には、アノードまたは力ソードに対向する面にガス流路を設けて、セパレ —夕を兼ねるようにすることもできる。産業上の利用の可能性

本発明によれば、導電性炭素材料を主とするため、低コストで、軽量であり、マ二ホールド孔における金属の腐食を危惧することのない集電板を提供する。特に、端子部を反応ガスの入口側マ二ホールド孔の近傍に設けることにより、電極は、これに供給される反応ガスの入口側において、反応により生成する水により加湿される。その結果、電極の耐久性を向上することができる。また、集電板の一方の面にガス流路を形成することにより、端部に位置するセパレー夕と一体化できるから、部品点数の削減や抵抗成分による発電ロスの低減を図ることができる。これらによって高分子電解質型燃料電池のコスト低減や体積および重量効率を向上することができる

Claims

請求の範囲

1 . 水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むァノードおよび力ソード、ァノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するァノード側セパレー夕、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレー夕からなる単位セルの複数個を積層したセル積層体、前記セル積層体を挟む一対の集電板、並びに前記セル積層体および集電板を加圧状態で締結する一対の端板を具備し、前記集電板は、導電性炭素材料を主成分として構成され、かつ電流取り出し用ケーブルを接続する端子部が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口側マ二ホールドの近傍に有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。

2 . 前記端子部が電気良導体の被覆層を有する請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

3 . 前記端子部から、前記入口側マ二ホールドに連なる、セルのガス流路入口側に対応する部分にわたる領域に、電気良導体の被覆層を有する請求の範囲第 2項記載の高分子電解質型燃料電池。

4 . 前記被覆層が金属板からなる請求の範囲第 3項記載の高分子電解質型燃料電池。

5 . 前記金属板が導電性接着剤により集電板に接着されている請求の範囲第 4項記載の高分子電解質型燃料電池。

6 . 前記集電板は、その面方向の電気比抵抗が厚み方向の電気比抵抗より小さい請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

7 . 前記集電板の面方向の電気比抵抗と厚み方向の電気比抵抗値との比が 0 . 0 1〜 0 . 1である請求の範囲第 6項記載の高分子電解質型燃料電池。

8 . 前記集電板が導電性炭素材料とバインダ一とのコンポジットからなる成形体を含む請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

9 . 前記成形体は、芯材の金属板を内包し、かつ前記金属板は前記成形体のマ二ホールド孔を含めて前記成形体より露出する部分を有しない請求の範囲第 8項記載の高分子電解質型燃料電池。

1 0 . 前記金属板が、貴金属、導電性無機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物からなる導電層により被覆されている請求の範囲第 9項記載の高分子電解質型燃料電池。

1 1 . 前記集電板の少なくとも一方は、アノードまたは力ソードと対向する面にガス流路を有し、ァノ一ド側セパレ一夕またはカソード側セパレー夕として機能する請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池,

1 2 . 前記集電板が、端板と一体に形成されている請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。