JP2010198831A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】料電池スタックにおける両端部の単位セルと中央部の単位セルの温度差を低減して発電性能のばらつきを抑制する。
【解決手段】電解質２１の両面に電極２２，電極２３を設けて電解質電極構造体２０を構成し、電解質電極構造体２０とセパレータ３０Ａ，３０Ｂとを積層して燃料電池スタックＳを構成し、この燃料電池スタックＳの積層方向の両端部に位置するセパレータ３０Ｂに接触して集電板９３を設け、この集電板９３の積層方向の外側に絶縁断熱板９０を設けた燃料電池であって、少なくとも一方の集電板９３は、最端部に位置するセパレータ３０Ｂの中央部に接触し、集電板９３の外周より外側の部分では絶縁断熱板９０がセパレータ３０Ｂと接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、燃料電池スタックにおける端部セルと中央部セルの温度差を低減して発電性能のばらつきを抑制する技術に関する。

燃料電池としては、平板状の電解質電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。電解質電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質が挟まれた三層構造である。セパレータは、電極に接触するように積層され、電極との間に水素などの燃料ガスまたは空気などの酸化剤ガスを流通させるガス流路や、セパレータどうしの間に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されている。

ここで、燃料電池スタックの最端部に位置するセパレータには、金属製の集電板が接触するように積層され、集電板の外側は絶縁板で覆われている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。そして、この電気は、集電板に集められて外部に取り出される。ところで、燃料電池の集電板としては、たとえば特許文献１に開示されているように、セパレータと同じ平面積にして集電効率を高めたものが一般的である。

実開昭６１−３６７１号公報

しかしながら、前記先行技術に開示された燃料電池の集電板では、集電板からの熱の放散により両端部に位置する単位セルの温度が中央部の単位セルの温度よりも低くなる。このため、両端部の単位セルと中央部の単位セルとの間で発電性能がばらつき、燃料電池全体として発電性能が安定しないという問題があった。したがって、本発明は、燃料電池スタックにおける両端部の単位セルと中央部の単位セルの温度差を低減して発電性能のばらつきを抑制することができる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明は、電解質の両面に電極を設けて電解質電極構造体を構成し、電解質電極構造体とセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置するセパレータに接触して集電部を設け、この集電部の積層方向の外側に絶縁断熱板を設けた燃料電池において、少なくとも一方の前記集電部は、該集電部に隣接するセパレータの中央部に接触し、前記集電部の外周より外側の部分では前記絶縁断熱板が前記セパレータと接触していることを特徴とする。

本発明では、集電部は、積層方向の両端部に位置するセパレータの中央部に接触し、集電部の外周より外側の部分では絶縁断熱板がセパレータと接触しているから、集電部はセパレータよりも小さく小型化される。これにより、集電部からの熱放出が抑制される。また、集電部の小型化により、集電部の抵抗が増加することに伴うジュール発熱と、両端部に位置するセパレータにおいて電流が集電部側の中央部へ向かって流れることによるセパレータのジュール発熱とにより、両端部に位置する単位燃料電池の温度が上昇する。これにより、両端部の単位燃料電池と中央部の単位燃料電池の温度差が低減され、燃料電池全体の発電性能のばらつきが抑制される。なお、集電部が小型化されることにより、軽量化や材料コストの低減が図られることは言うまでもない。

ここで、両端部に位置するセパレータには、中央部へ向けて電流が集まり、集電体として機能するから、他のセパレータよりも導電率を高くして電気抵抗を低くすることができる。たとえば、金属製のセパレータでは、ステンレス鋼板を素材とするのが通常であるが、両端部に位置するセパレータだけ導電性を高める合金成分を含むものを用いることができる。これと同じ目的で、両端部に位置するセパレータの厚さを厚くすることもできる。

集電部は、絶縁断熱板に設けた凹部に嵌合させることができる。この場合において、集電部の中央部に突出して形成した端子を絶縁断熱板に貫通させて突出させることができる。さらに、集電部の全周に亘って絶縁断熱板の凹部と接触させると好適である。このように構成することにより、両端部に位置する単位燃料電池の気密性を向上させることができる。

セパレータには、ガス流路と冷媒流路が形成され、これら流路は、薄板をプレス成形して断面波板状に形成したり、厚板に溝を切削加工することで形成される。ここで、セパレータに形成された凹凸に集電部を接触させる場合には、集電部の外周縁部が凹凸の凸部に一致していることが望ましい。つまり、集電部の外周縁部が凹凸の凹部の上で浮いた状態にならないことが望ましい。このような構成により、集電部とセパレータとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。

金属製の集電部と合成樹脂製の絶縁断熱板とを射出成形によって一体成形することができる。その場合、集電部が絶縁断熱板から抜けないように集電部の一部を絶縁断熱板内に埋設することができる。たとえば、集電部にフランジ部を形成してこれを絶縁断熱板内に埋設することができる。このような構成では、燃料電池スタックの組立が容易となる。また、集電部の形状は平板状など任意であるが、接触しているセパレータから離間するに従って断面積が減少する形状（例えばテーパ状）としてもよい。すなわち、集電部に流入した電流は集電部に設けた端子へ集まるから、集電部のセパレータと接触しない側の角部は導電体としての貢献度が少ない。したがって、そのような部分を備えないテーパ状の集電部形状とすることにより、集電部の機能を損なうことなく材料コストを低減することができる。なお、本発明においてはセパレータの材質は任意であり、金属製であってもカーボン製であってもよい。

本発明は、集電部をセパレータよりも小さく構成しているから、両端部の単位燃料電池と中央部の単位燃料電池の温度差が低減され、燃料電池全体の発電性能のばらつきが抑制される等の効果を奏する。

本発明の実施形態における燃料電池の全体を示す側面図である。 実施形態の燃料電池の一部を示す断面図であって図７における矢印ＡＡ断面である。 実施形態の燃料電池におけるカソード側セパレータを示す裏面図である。 実施形態の燃料電池における電解質電極構造体を示す表面図である。 実施形態の燃料電池におけるアノード側セパレータを示す表面図である。 実施形態の燃料電池におけるカソード側セパレータを示す表面図である。 実施形態の燃料電池におけるセパレータ、集電板および絶縁断熱板の配置を説明するための斜視図である。 実施形態の燃料電池における集電板の電気接続構造を示す一部破砕断面図である。 実施形態の第１変形例のセパレータの発電部と集電板との配置を説明するための平面図である。 実施形態の第２変形例の燃料電池を示す断面図であって図７における矢印ＡＡ断面である。 本発明の第３変形例の燃料電池を示す断面図であって図７における矢印ＡＡ断面である。

１．燃料電池の全体構成
以下、この発明の実施形態の燃料電池を図１〜図９を参照して説明する。まず、実施形態の燃料電池の全体構成について説明し、次いで本実施形態の特徴である集電機構について説明する。図１は燃料電池スタックＳの全体側面図であり、燃料電池スタックＳは、平面視で長方形状の単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側に絶縁断熱板９０，１００を配置し、絶縁断熱板９０，１００を図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタックＳは、縦方向を鉛直方向（重力方向）に向けて設置される。以下、図中の矢印Ｘは水平方向、矢印Ｙは矢印Ｘと直交する水平方向、矢印Ｚは鉛直方向を示す。なお、図１において符号１１５は絶縁断熱板１００に接続された配管であり、配管１１５を通じて酸化剤ガス、燃料ガスが各単位セル１０に供給されるとともに、冷却水が各単位セル１０どうしの間の冷媒流路（図２および図３に符号５３で示す）に循環させられる。

図２に示すように、単位セル１０は、電解質電極構造体２０の両側にアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂを密着して配置した積層構造をなす。なお、図３はカソード側セパレータ３０Ｂの裏面図（電解質電極構造体２０と接触する面と反対側の面の図）であり、図４は電解質電極構造体２０の平面図、図５はアノード側セパレータ３０Ａの表面図（電解質電極構造体２０と接触する面の図）である。カソード側セパレータ３０Ｂの表面図は図６に示している。単位セル１０は、カソード側セパレータ３０Ｂ、電解質電極構造体２０、およびアノード側セパレータ３０Ａを図３〜図５に示す状態でそのまま重ね合わせて構成されている。なお、図２ではアノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂとを区別するために両者の間に隙間を設けて示しているが、実際には両者は密着している。これについては、図１０および図１１も同じである。

電解質電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質（電解質）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を積層して構成され、電解質電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂはステンレス鋼製薄板をプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層した燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接する。

図３〜図５に示すように、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が形成され、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が形成されている。同様に、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が形成され、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が形成されている。さらに、電解質電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの上端部には、使役前の冷却水（冷媒）が流通する冷却水供給口１５が形成され、対称位置である下端部には、使役後の冷却水が流通する冷却水排出口１６が形成されている。なお、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５および冷却水排出口１６は、図４に示すように、電解質電極構造体２０にも形成されている。図４に示すように、カソード電極２３（アノード電極２２）は、後述する突条３１Ａ，３１Ｂと接触する部分にのみ設けられている。

これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５および冷却水排出口１６は、単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、後述するシール部４３，４４を介して各供給口１１，１３，１５毎、各排出口１２，１４，１６毎に連通して、分配流路もしくは集合流路として機能し、図２に示す絶縁断熱板９０と反対側の絶縁断熱板１００に設けられた燃料ガス供給口、アノードオフガス排出口、酸化剤ガス供給口、カソードオフガス排出口、冷却水供給口、冷却水排出口に連通し、絶縁断熱板９０，１００によって両端を閉塞されている。

図５に示すように、アノード側セパレータ３０Ａは電解質電極構造体２０に面接触する平坦部３６を備え、燃料ガス供給口１１、酸化剤ガス供給口１３、および冷却水供給口１５と、アノードオフガス排出口１２、カソードオフガス排出口１４、および冷却水排出口１６との間に挟まれた矩形領域には、電解質電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａがその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向（Ｘ方向）に等間隔に並行に配置されている。各突条３１Ａは直線状に鉛直方向（Ｚ方向）へ延びている。図２に示すように、この突条３１Ａの断面形状は平坦な頂部３５を有する台形状をなし、隣り合う突条３１Ａ，３１Ａの端部同士は平坦部３６によって接続されている。

アノード側セパレータ３０Ａにおいて、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方には、上部バッファー部３７が電解質電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。上部バッファー部３７は上端部が正面視で下方に末広がりの台形状をなし、各突条３１Ａの上端がこの上部バッファー部３７の下端に連通している。上部バッファー部３７には、電解質電極構造体２０に接近する方向に突出する凸部３８が分散して設けられており、凸部３８の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、上部バッファー部３７と燃料ガス供給口１１の間には、電解質電極構造体２０に接近する方向に突出する突条３９が複数配置され、突条３９の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方には、下部バッファー部４０が電解質電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。下部バッファ部４０は下端部が正面視で上方に末広がりの台形状をなし、各突条３１Ａの下端がこの下部バッファー部４０の上端に連通している。下部バッファー部４０には、電解質電極構造体２０に接近する方向に突出する凸部４１が分散して設けられており、凸部４１の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、下部バッファー部４０とアノードオフガス排出口１２の間には、電解質電極構造体２０に接近する方向に突出する突条４２が複数配置され、突条４２の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。

アノード側セパレータ３０Ａにおいて電解質電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１とアノードオフガス排出口１２と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ａ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

アノード側セパレータ３０Ａは、その平坦部３６とシール部４３を電解質電極構造体２０のアノード電極２２に密接して取り付けられ、電解質電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、電解質電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、電解質電極構造体２０と突条３１Ａとの間に形成される空間が、燃料ガスが流通するアノードガス通路５１となる。すなわち、燃料ガス供給口１１を介してアノードガス通路５１に導入された燃料ガスは、突条３９によって整流され、上部バッファー部３７、突条３１Ａ、下部バッファ部４０を順に流通し、突条４２によって整流されてアノードオフガス排出口１２に排出される。その際に、燃料ガスは、電解質電極構造体２０のアノード電極２２に沿って上から下へ鉛直方向に流れていく。

この場合において、上部バッファー部３７が多数の凸部３８を有しているので、燃料ガス供給口１１から上部バッファー部３７に導入した燃料ガスを拡散して総ての突条３１Ａにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ａから下部バッファ部４０に導入されたアノードオフガスを整流してアノードオフガス排出口１２に集合させることができる。

カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａとほぼ同様の構成であるので同一構成については同符号を付して説明を省略し、図６を参照して相違点だけを説明する。カソード側セパレータ３０Ｂにも突条３１Ａと同等の突条３１Ｂが配置されている。カソード側セパレータ３０Ｂのシール部４３は、酸化剤ガス供給口１３とカソードオフガス排出口１４と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ｂ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

カソード側セパレータ３０Ｂは、その平坦部３６とシール部４３を電解質電極構造体２０のカソード電極２３に密接して取り付けられ、電解質電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、電解質電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、電解質電極構造体２０と突条３１Ｂとの間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通するカソードガス通路５２となる。すなわち、酸化剤ガス供給口１３を介してカソードガス通路５２に導入された酸化剤ガスは、突条３９によって整流され、上部バッファー部３７、突条３１Ｂ、下部バッファ部４０を順に流通し、突条４２によって整流されてカソードオフガス排出口１４に排出される。すなわち、酸化剤ガスは、電解質電極構造体２０のカソード電極２３に沿って上から下へ鉛直方向に流れていく。

この場合において、上部バッファー部３７が多数の凸部３８を有しているので、酸化剤ガス供給口１３から上部バッファー部３７に導入した酸化剤ガスを拡散して総ての突条３１Ｂにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ｂから下部バッファ部４０に導入されたカソードオフガスを整流してカソードオフガス排出口１４に集合させることができる。

また、図３に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて電解質電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、冷却水供給口１５および冷却水排出口１６、上部バッファー部３７の裏面と下部バッファ部４０の裏面と総ての突条３１Ｂ，３９，４２の裏面の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ３０Ｂと同様に、アノード側セパレータ３０Ａにおいて電解質電極構造体２０に密接する面の裏面にも、シール部４４が設けられている。また、冷却水供給口１５と上部バッファー部３７の裏面の間には、電解質電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３９が複数配置され、冷却水排出口１６と下部バッファー部４０の裏面の間には、電解質電極構造体２０から離間する方向に突出する突条４２が複数配置されており、冷却水の流れを整えるようになっている。

単位セル１０を積層した燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接する。その際には、図２に示すように、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａの頂部３５とカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂの頂部３５とを密接させるとともに、アノード側セパレータ３０Ａのシール部４４とカソード側セパレータ３０Ｂのシール部４４とを密接させる。これにより、両シール部４４，４４に囲繞された両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間の空間であって冷却水供給口１５、冷却水排出口１６、突条３１Ａ，３１Ｂを包囲する領域に冷媒流路５３が形成される。

２．集電機構
次に、図２、図７および図８を参照して集電機構を説明する。なお、以下においては絶縁断熱板９０の集電機構について説明するが、絶縁断熱板１００にも同等の構成の集電機構が設けられている。図２に示すように、絶縁断熱板９０の中央部には略矩形状の凹部９１と孔９２が形成されている。凹部９１には図７に示す集電板（集電部）９３が嵌合されている。なお、図７には、この項で説明する構成要素のみ記載している。

集電板９３は矩形状をなし、その角部は円弧状に形成されている。集電板９３の中心からこの円弧状の角部までの距離は全て等しくされている。また、集電板９３の縦横比は、電解質電極構造体２０のアノード電極２２およびカソード電極２３の縦横比とほぼ同一とされている。そして、集電板９３は、アノード電極２２およびカソード電極２３の中央に平面視でオーバーラップするように配置され、カソード側セパレータ３０Ｂの多数の突条３１Ｂのうち中央部の一部に接触する。これにより、集電板９３の集電効率が高められている。

凹部９１は、集電板９３と同一形状に形成されており、集電板９３が凹部９１に嵌合した状態で、集電板９３の全周が凹部９１の内周面と密着している。絶縁断熱板９０の内側の面と集電板９３の内側の面は互いに面一とされている。このため、集電板９３と、絶縁断熱板９０の集電板９３の外周より外側の部分は、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂに密着するとともに、突条３１Ｂの頂部３５に均等な力で押し付けられる。

図７に示すように、集電板９３の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂに沿って配置されている。より詳細には、図２に示すように、集電板９３の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂの頂部３５の角に一致している。このため、集電板９３は、突条３１Ｂの頂部３５と無駄なく接触し、カソード側セパレータ３０Ｂとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。

集電板９３の中央部には、円柱状の端子９４が集電板９３と一体的に形成され、端子９４は絶縁断熱板９０の孔９２を貫通して外部に突出している。端子９４の端面にはコネクタ９７が螺子９８によって取り付けられている。以上の構成は絶縁断熱板１００も備えており、絶縁断熱板９０，１００の端子９４から直流電流が出力される。

３．実施形態の動作
上記のように構成された燃料電池スタックＳおよび単位セル１０では、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路５３を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。

ここで、各単位セルで生成された電流は、絶縁断熱板９０と接触しているカソード側セパレータ３０Ｂに集められ、その電流はカソード側セパレータ３０Ｂの中央部に集められる。そして、電流は、集電板９３に集められて端子９４およびコネクタ９７を経て外部に取り出される。

上記構成の燃料電池では、集電板９３はカソード側セパレータ３０Ｂよりも小さく小型化されている。これにより、集電板９３からの熱放出が抑制される。また、集電板９３の小型化により、集電板９３の抵抗が増加することに伴うジュール発熱と、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて電流が中央部へ向かって流れることによるカソード側セパレータ３０Ｂのジュール発熱とにより、当該単位セル１０の温度が上昇する。これにより、両端部の単位セル１０と中央部の単位セル１０の温度差が低減され、燃料電池全体の発電性能のばらつきが抑制される。

特に、上記実施形態では、集電板９３の長尺をなす側縁が突条３１Ｂの頂部３５の角に一致している。このため、集電板３９は、突条３１Ｂの頂部３５と無駄なく接触し、カソード側セパレータ３０Ｂとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。

４．変形例
（１）第１変形例
図９は、上記実施形態の第１変形例を示す図である。この変形例では、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂは、鉛直方向に向けて波形またはジグザグに蛇行している。この場合において、突条３１Ｂの屈曲点（波形の場合は頂点）Ｐは、集電板９３の側縁と一致している。このような変形例においても、集電板３９は、突条３１Ｂの頂部３５と無駄なく接触し、カソード側セパレータ３０Ｂとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。

（２）第２変形例
図１０は、上記実施形態の第２変形例を示す図である。この変形例において、集電板９５は、図７に示すものと同様に、平面視で矩形状をなし、その角部は円弧状に形成されている。しかしながら、集電板９５は、その中心から外周側に向かうに従って断面積が減少するテーパ状とされている。一方、絶縁断熱板６０には、集電板と同一形状の凹部９１Ａが形成されており、集電板９５が凹部９１Ａに嵌合した状態で、集電板９５の全面が凹部９１Ａの内面と密着している。絶縁断熱板９０の内側の面と集電板９５の内側の面は互いに面一とされている。このため、集電板９５と、絶縁断熱板９０の集電板９５の外周より外側の部分は、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂに密着するとともに、突条３１Ｂの頂部３５に均等な力で押し付けられる。

この変形例においても、集電板９５の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂに沿って配置されている。すなわち、図１０に示すように、集電板９５の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂの頂部３５の角に一致している。このため、集電板９５は、突条３１Ｂの頂部３５と無駄なく接触し、カソード側セパレータ３０Ｂとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。

この変形例においては、集電板９５に流入した電流は、図１０で矢印で示すように端子９４へ集まるから、集電板９５のカソード側セパレータ３０Ｂと接触しない側の角部は導電体としての貢献度が少ない。したがって、この変形例では、集電板９５がそのような部分を備えないテーパ状であるから、集電部としての機能を損なうことなく集電板９５の材料コストを低減することができる。

図１１は、上記実施形態の第３変形例を示す図である。この変形例において、集電板９６は、図７に示すものと同様に、平面視で矩形状をなし、その角部は円弧状に形成されている。しかしながら、集電板９６の奥側の部分には、カソード側セパレータ３０Ｂと接触する部分よりも幅広のフランジ９７が形成されている。絶縁断熱板９０は、合成樹脂からなり、集電板９６と一体的に射出成形（インサート成形）される。

絶縁断熱板９０の内側の面と集電板９６の内側の面は互いに面一とされている。このため、集電板９６と、絶縁断熱板９０の集電板９６の外周より外側の部分は、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂに密着するとともに、突条３１Ｂの頂部３５に均等な力で押し付けられる。

この変形例においても、集電板９６の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂに沿って配置されている。すなわち、図１１に示すように、集電板９６の長尺をなす側縁は、突条３１Ｂの頂部３５の角に一致している。このため、集電板９５は、突条３１Ｂの頂部３５と無駄なく接触し、カソード側セパレータ３０Ｂとの接触面積を大きくして集電効率を向上させることができる。また、この変形例では、絶縁断熱板９０と集電板９６とが一体的に成形されているので、それらのハンドリングが容易なため燃料電池スタックＳの組立が容易となる。

本発明では、両端部の単位セルと中央部の単位セルの温度差が低減され、燃料電池全体の発電性能のばらつきが抑制されるので、厳しい信頼性が要求される例えば燃料電池車に適用して極めて有望である。

１０ 単位セル（単位燃料電池）
２０ 電解質電極構造体
２１ 固体高分子電解質（電解質）
２２ アノード電極
２３ カソード電極
３０Ａ アノード側セパレータ（セパレータ）
３０Ｂ カソード側セパレータ（セパレータ）
９０ 絶縁断熱板
９３，９５，９６ 集電板（集電部）

Claims (2)

1. 電解質の両面に電極を設けて電解質電極構造体を構成し、電解質電極構造体とセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置するセパレータに接触して集電部を設け、この集電部の積層方向の外側に絶縁断熱板を設けた燃料電池において、
   少なくとも一方の前記集電部は、該集電部に隣接するセパレータの中央部に接触し、前記集電部の外周より外側の部分では前記絶縁断熱板が前記セパレータと接触していることを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料電池スタックの両端部に位置するセパレータは、他のセパレータよりも導電率が高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
   
   

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