JP4174025B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向端部にターミナルプレートが配設される燃料電池及びその製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより構成されている。

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池の積層方向両端には、前記燃料電池により発電された電力を集電するためのターミナルプレートと、該燃料電池を積層方向に押圧保持するためのエンドプレートと、前記ターミナルプレート及び前記エンドプレート間を絶縁するための絶縁プレートとが配設されている。

ところで、燃料電池には、積層方向に貫通して燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すための連通孔（通路）が設けられている。その際、ターミナルプレートとエンドプレートとの間には、発電により発生した生成水や冷却媒体等による液絡が発生するという問題がある。そこで、例えば、特許文献１には、プレートの反応ガス連通孔に絶縁性ゴム等のグロメット（筒部材）を挿入する技術が開示されている。

米国特許第４，３７１，４３３号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１の技術を採用すると、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートを含む各プレート毎にグロメットを装着しなければならない。このため、燃料電池全体として、相当に多数のグロメットが必要となり、コストが高騰するという問題がある。

しかも、ターミナルプレートは、基本的に全体が導電性の金属材料で形成されており、相当に質量が大きくなっている。さらに、ターミナルプレートは、電流を集中して取り出すターミナル端子部に向かって、抵抗による損失が生じ難いように、一定の断面積（厚み）を確保する必要がある。これにより、ターミナルプレートの質量が増大してしまい、燃料電池全体が重量物となるという問題が指摘される。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、ターミナルプレートの集電機能を確保しかつ液絡を阻止するとともに、前記ターミナルプレートを可及的に軽量化することが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、積層方向端部に配設されるターミナルプレートが、電極に電気的に接続される電子伝導領域と、前記積層方向に少なくとも反応ガスを流すための反応ガス通路又は冷却媒体を流すための冷却媒体通路が形成された通路領域とを備える。その際、電子伝導領域は、金属製多孔体と樹脂との複合材で構成される一方、通路領域は、絶縁性樹脂材で構成される。

また、ターミナルプレートは、電子伝導領域に接合されて外部に電力を取り出すためのターミナル端子部を備えるとともに、前記電子伝導領域は、前記ターミナル端子部に向かって金属密度が高くなることが好ましい。従って、ターミナル端子部に電流が合流する際の抵抗の増加及びそれに伴う発熱を良好に阻止することができる。しかも、ターミナル端子部での電流合流量に応じて金属量が適正化されるため、均一密度の金属製多孔体を使用する場合に比べ、軽量化が容易に図られる。

さらに、電子伝導領域は、セパレータと接触する面に導電性被膜が形成されることが好ましい。この導電性被膜は、電子伝導領域の表面を、例えば、金や白金、酸化物の生じ難い金属等で被うものであり、全面コーティングに比べて貴金属等の使用量が削減されるとともに、接触抵抗が低減される。

さらにまた、ターミナル端子部は、電子伝導領域の面方向に延在して前記電子伝導領域に接合される平面部位を設けることが好ましい。このため、ターミナル端子部と電子伝導領域との一体化剛性が増大し、しかも集電機能の向上を図ることが可能になる。

また、電子伝導領域には、射出成形又は樹脂含浸成形によって金属製多孔体に樹脂材を一体成形することが好ましい。これにより、樹脂ペレットを用いた加熱圧縮成形に比べて金属製多孔体の空孔部に樹脂が確実に充填され、簡単かつ安価な処理で安定した品質を得ることができる。その上、成形時間が有効に短縮化され、燃料電池の製造作業全体が効率的なものとなる。

さらに、電子伝導領域を予め形成した後、前記電子伝導領域に通路領域を一体化することが好ましい。従って、通路等の非電子伝導個所の機能に応じて、電子伝導領域に使用される樹脂と通路領域に使用される樹脂とを、異なる種々の樹脂の中から選択することが可能である。例えば、通路領域に使用される樹脂として、シールと一体化された樹脂、吸水率の小さな樹脂又はガラス繊維で強化された樹脂等から選択して使用することができる。

さらにまた、電子伝導領域とターミナル端子部とは、拡散接合又はロウ付けにより接合されることによって、多数の接触点を確実に結合することが可能となり、電気抵抗の削減が図られる。

また、電子伝導領域とターミナル端子部とは、電子ビーム溶接又はレーザ溶接により接合されることによって、温度上昇を局所的に抑えることができ、熱変形を最小限に抑制することが可能になる。

本発明では、ターミナルプレートが、電極に電気的に接続される電子伝導領域と通路領域とを有するとともに、前記電子伝導領域は、金属製多孔体と樹脂との複合材で構成される一方、前記通路領域は、絶縁性樹脂材で構成される。このため、ターミナルプレートは、金属の使用量が大幅に削減されて軽量化が顕著に行われる。しかも、電子伝導領域では、所望の集電機能を有するとともに、通路領域では、絶縁性樹脂材により確実な絶縁機能を有し、例えば、通路周辺にグロメットや絶縁被膜を施す必要がない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が積層された燃料電池スタック１２の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。

燃料電池１０は、第１及び第２セパレータ１４、１６に挟持される電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１８を備え、前記燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層されて積層体２０が構成される。図１に示すように、積層体２０の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、ターミナルプレート２４ａ、２４ｂとエンドプレート２６ａ、２６ｂとが絶縁プレート２８ａ、２８ｂを介装して配設される。

図２に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス通路）３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス通路）３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス通路）３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス通路）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１０の下部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔（冷却媒体通路）３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の上部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔（冷却媒体通路）３４ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１８は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、それぞれガス拡散層と電極触媒層とを有する。ガス拡散層は、カーボンペーパ等から形成されるとともに、電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布しており、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１８に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとを連通する酸化剤ガス流路４２が形成される。この酸化剤ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部を設ける。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１８に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる燃料ガス流路４４が設けられるとともに、この燃料ガス流路４４は、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６には、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を設ける。

ターミナルプレート２４ａは、アノード側電極３８に電気的に接続される電子伝導領域５０と、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂが形成される通路領域５２とを備える。

電子伝導領域５０は、金属製多孔体、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のない耐食性金属、例えば、ステンレス、チタン又はニッケル等の金属発泡体５０ａで形成されており、この金属発泡体５０ａ内には、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である絶縁性樹脂材５１が、例えば、含浸されている。通路領域５２は、絶縁性樹脂材５１で構成される。

ターミナルプレート２４ａは、電子伝導領域５０に接合されて外部に電力を取り出すためのターミナル端子部５４を備える。このターミナル端子部５４の先端には、ラグ端子５６を取り付けるためのねじ部５４ａが設けられる（図１参照）。

なお、ターミナルプレート２４ｂは、上記のターミナルプレート２４ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。絶縁プレート２８ａ、２８ｂは、ターミナルプレート２４ａ、２４ｂのターミナル端子部５４を挿入するための円筒部５８ａ、５８ｂを設けている。

次に、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成するターミナルプレート２４ａを製造する方法について説明する。

まず、図３に示すように、電解質膜・電極構造体１８（図２参照）の寸法に対応した金属発泡体５０ａと、ターミナル端子部５４とが用意される。そして、金属発泡体５０ａとターミナル端子部５４の界面は、拡散接合又はロウ付けにより接合されて接合体５８が得られる。

この接合体５８は、図４に示す射出成形機６０に取り付けられる。射出成形機６０は、第１型部材６２と第２型部材６４とを備え、前記第１及び第２型部材６２、６４内にキャビテイ６６が形成される。キャビテイ６６は、ターミナルプレート２４ａの形状に対応しており、第２型部材６４には、このキャビテイ６６に絶縁性樹脂材５１を充填するための樹脂投入口６８及び通路７０が形成される。

このように構成される射出成形機６０では、第１及び第２型部材６２、６４が型開きされた状態で、第１型部材６２に位置決めピン７２を介して接合体５８が配置されるとともに、複数の連通孔用ボス７４が前記キャビテイ６６に配置される。連通孔用ボス７４は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂに対応している。

次に、第１及び第２型部材６２、６４が型締めされた状態で、樹脂投入口６８から絶縁性樹脂材５１が投入されると、この絶縁性樹脂材５１は、通路７０を通ってキャビテイ６６に充填される。これにより、金属発泡体５０ａに絶縁性樹脂材５１が含浸された複合材、すなわち、電子伝導領域５０が構成されるとともに、前記絶縁性樹脂材５１により通路領域５２が形成される。電子伝導領域５０と通路領域５２とが一体化してターミナルプレート２４ａが製造される。

なお、ターミナルプレート２４ｂは、上記のターミナルプレート２４ａと同様に製造されるものであり、その詳細な説明は省略する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、燃料電池１０内には、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１８のカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１８のアノード側電極３８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１８では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１４、１６の間に形成される冷却媒体流路４６に導入され、鉛直上方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１８を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、ターミナルプレート２４ａが、電子伝導領域５０と通路領域５２とを備えるとともに、前記電子伝導領域５０が金属発泡体５０ａと絶縁性樹脂材５１との混合材で構成される一方、前記通路領域５２が、前記絶縁性樹脂材５１で構成される。このため、ターミナルプレート２４ａは、金属の使用量が大幅に削減され、軽量化が確実に行われるという効果が得られる。

例えば、厚さが３ｍｍ、幅が２００ｍｍ、及び長さが３００ｍｍのターミナルプレート２４ａは、従来のように全体を銅で構成すると、比重が８．９６ｇ／ｃｍ³であるために重さが１６１２ｇとなっていた。

これに対して、第１の実施形態では、空孔率が７０％の金属発泡体５０ａを用い、発電面積相当の厚さが３ｍｍ、幅が１４０ｍｍ、及び長さが２２０ｍｍであり、その他を比重が２ｇ／ｃｍ³の樹脂でターミナルプレート２４ａを構成すると、重さが５５３ｇとなった。従って、ターミナルプレート２４ａは、従来の構造に比べて約１０００ｇの軽量化を図ることができた。

一方、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂでは、ガス加湿水や反応生成水が滞留し易い。また、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂでは、冷却媒体の劣化によってイオン導電性が増大し易い。

その際、第１の実施形態では、絶縁性樹脂材５１で構成される通路領域５２を用いており、金属のような腐食、金属イオンの溶出等がなく、確実な絶縁機能を有することができる。これにより、例えば、通路周辺にグロメットや絶縁被膜を施す必要がなく、構成及び製造工程が簡素化されて経済的である。

また、第１の実施形態では、図３に示すように、金属発泡体５０ａにターミナル端子部５４が拡散接合又はロウ付けにより接合される。従って、金属発泡体５０ａとターミナル端子部５４の接合面との多数の接触点を全て結合することが可能になり、電気抵抗を有効に削減することができる。これに代えて、金属発泡体５０ａとターミナル端子部５４とを、電子ビーム溶接又はレーザ溶接により接合することも可能である。このため、金属発泡体５０ａとターミナル端子部５４との接合部位に、局所的な温度上昇が惹起されることがなく、熱変形を最小限に抑制することができる。

さらにまた、第１の実施形態では、接合体５８を射出成形機６０に配置して、金属発泡体５０ａに絶縁性樹脂材５１を含浸させる一方、ボス７４を覆って前記絶縁性樹脂材５１のみにより通路領域５２が一体成形される。このように射出成形又は樹脂含浸成形を行うことにより、樹脂ペレットを用いた加熱圧縮成形に比べて、金属発泡体５０ａの空孔部に絶縁性樹脂材５１が確実に充填される。従って、簡単かつ安価な成形処理で、安定した品質を有するターミナルプレート２４ａを製造することができるとともに、成形時間が有効に短縮され、前記ターミナルプレート２４ａの製造作業が効率的に遂行可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート８０の斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成するターミナルプレート２４ａと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３乃至第８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

ターミナルプレート８０は、電子伝導領域８２と通路領域５２とを一体化して構成されている。この電子伝導領域８２は、図示しないセパレータと接触する面に切削加工を施して金属発泡体５０ａの金属表面を露呈させた後、電気めっきが施される。具体的には、金や白金、酸化物の生じ難い金属等の導電性被膜材８４により金属発泡体５０ａの金属表面を覆っている。

これにより、第２の実施形態では、ターミナルプレート８０の全面を貴金属でコーティングする場合に比べ、貴金属等の使用量が有効に削減されるとともに、接触抵抗の低減が図られ、加えて経済的であるという利点がある。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート１００の斜視説明図である。

このターミナルプレート１００は、電子伝導領域１０２と通路領域５２とを一体化して構成されるとともに、この電子伝導領域１０２は、ターミナル端子部５４に向かって金属密度が高くなる。具体的には、電子伝導領域１０２のターミナル端子部５４が接合される中央領域には、例えば、空孔率が３０％の低空孔率部１０４ａが設けられ、この低空孔率部１０４ａの外周には、例えば、空孔率が６０％の中空孔率部１０４ｂが設けられ、さらにこの中空孔率部１０４ｂの外周には、例えば、空孔率が９０％の高空孔率部１０４ｃが設けられる。

このように構成される電子伝導領域１０２は、以下に示す種々の方法により製造される。

まず、第１の方法は、図７Ａに示すように、均一発泡材からなる金属発泡体１０６が用意される。この金属発泡体１０６に加工処理が施されることにより、低空孔率部１０４ａ、中空孔率部１０４ｂ及び高空孔率部１０４ｃに対応する肉厚の差が設定される。

次いで、加工後の金属発泡体１０６は、そのまま、若しくは、プレスによって平面化された後（図７Ｂ参照）、例えば、射出成形機６０に配置されて絶縁性樹脂材５１による射出成形処理が施される。これにより、電子伝導領域１０２と通路領域５２とが一体化されたターミナルプレート１００が製造される。

また、第２の方法は、図８Ａに示すように、それぞれ均一発泡材からなる金属発泡体１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃが用意される。金属発泡体１０８ｃは、電子伝導領域１０２全体の寸法、すなわち、高空孔率部１０４ｃに対応し、金属発泡体１０８ｂは、中空孔率部１０４ｂに対応し、さらに金属発泡体１０８ａは、低空孔率部１０４ａに対応している。

そこで、金属発泡体１０８ａ〜１０８ｃが拡散接合等の界面接合により一体化され、金属発泡体１０６が得られる。この金属発泡体１０６は、そのまま、若しくは、プレスによって平面化された後（図８Ｂ参照）、例えば、射出成形機６０に配置されて絶縁性樹脂材５１が含浸される。従って、電子伝導領域１０２が成形されるとともに、通路領域５２が一体化されてターミナルプレート１００が製造される。

さらにまた、第３の方法は、図９に示すように、段形状のキャビテイ１１０が設けられた成形型１１２によって金属発泡体を成形するものであり、第４の方法は、図１０に示すように、略台形状の連続形状のキャビテイ１１４を設けた成形型１１６で金属発泡体を成形するものである。また、第５の方法は、金属発泡体を成形する際に、予め空孔率に差を設けて成形してもよい。

このように、第３の実施形態では、電子伝導領域１０２は、ターミナル端子部５４に向かって金属密度が高くなり、前記ターミナル端子部５４に電流が合流する際の抵抗の増加及びそれに伴う発熱を良好に阻止することができる。しかも、ターミナル端子部５４での電流合流量に応じて、金属量が適正化されるため、均一密度の金属発泡体を使用する場合に比べ、軽量化が容易に図られるという効果がある。さらに、金属発泡体１０６が原材料としては均一発泡体からなり、後工程で金属密度に分布を設けることによって、前記金属発泡体１０６の製造が容易かつ安価に遂行される。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート１２０の断面説明図である。

このターミナルプレート１２０は、電子伝導領域１２２と通路領域５２とを一体化して構成される。電子伝導領域１２２は、ターミナル端子部５４に向かって金属密度が高くなるように設定される。具体的には、例えば、空孔率が９０％の第１金属発泡体１２４と、例えば、空孔率が４０％の第２金属発泡体１２６とが用意されるとともに、この第１金属発泡体１２４の中央部には、凹部１２８が形成される。

そこで、第１金属発泡体１２４の凹部１２８には、第２金属発泡体１２６が拡散接合等によって一体化されるため、電子伝導領域１２２は、全体として厚さ方向が均一化されている。第２金属発泡体１２６の中央部には、ターミナル端子部５４が予め接合されている。

これにより、第４の実施形態では、ターミナル端子部５４に電流が合流する際の抵抗の増加等を阻止することができ、第３の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１金属発泡体１２４と第２金属発泡体１２６とをプレスして平面化することにより、電子伝導領域１２２を製造してもよい。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート１４０の斜視説明図である。

このターミナルプレート１４０は、電子伝導領域１４２と通路領域５２とを一体化して構成される。電子伝導領域１４２は、図１２中、上部側に突出する突出板部１４４を有し、この突出板部１４４にターミナル端子部１４６が接合される。

電子伝導領域１４２は、ターミナル端子部１４６の接合部近傍に、例えば、空孔率が３０％の低空孔率部１４８ａを設ける。この低空孔率部１４８ａの外側には、例えば、空孔率が６０％の中空孔率部１４８ｂが設けられるとともに、ターミナル端子部１４６から最も離間する部分に、例えば、空孔率が９０％の高空孔率部１４８ｃが設けられる。

このように、第５の実施形態では、電子伝導領域１４２の上部側に突出する突出板部１４４にターミナル端子部１４６が接合されるとともに、このターミナル端子部１４６に向かって、順次、空孔率が低く、すなわち、金属密度が高くなっており、第３及び第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート１６０の一部切欠斜視説明図である。

このターミナルプレート１６０は、電子伝導領域５０に接合されるターミナル端子部１６２を備え、このターミナル端子部１６２は、前記電子伝導領域５０の面方向に延在する円板状平面部位１６４を設ける。電子伝導領域５０には、円板状の凹部１６６が形成されており、この凹部１６６に平面部位１６４が配設されて拡散接合等によって一体化される。

このように構成される第６の実施形態では、ターミナル端子部１６２と電子伝導領域５０との一体化剛性が有効に増大するとともに、集電機能の向上を図ることが可能になる。しかも、金属発泡体５０ａの厚さを有効に薄肉化して、安価かつ小型のターミナルプレート１６０を製造することができる。

図１４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート１８０の一部切欠斜視説明図である。

このターミナルプレート１８０は、ターミナル端子部１８２を備え、前記ターミナル端子部１８２の平面部位１８４は、セパレータ接触面側に配置される。平面部位１８４は、電子伝導領域５０と同一寸法に設定され、前記平面部位１８４と前記電子伝導領域５０とが接合されるとともに、通路領域５２が一体化されてターミナルプレート１８０が構成される。

この第７の実施形態では、セパレータ接触面側に金属板製の平面部位１８４が配置されている。このため、接触抵抗が有効に低減されるとともに、ターミナルプレート１８０の軽量化が容易に遂行されるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレート２００の斜視説明図である。

このターミナルプレート２００は、電子伝導領域５０と通路領域２０２とを備えている。電子伝導領域５０は、予め個別に形成された後、通路領域２０２と接合される。電子伝導領域５０は、金属発泡体５０ａに絶縁性樹脂材５１が含浸された複合材で構成される一方、通路領域２０２は、前記絶縁性樹脂材５１とは異なる絶縁性樹脂材５１ａにより成形される。例えば、通路領域２０２を構成する絶縁性樹脂材５１ａは、シールと一体化された樹脂、吸水率の小さな樹脂、又は、ガラス繊維で強化された樹脂等から選択して使用することができる。

図１６は、電子伝導領域５０を製造するための第１射出成形機２１０の断面説明図であり、図１７は、前記電子伝導領域５０に通路領域２０２を成形するための第２射出成形機２１２の断面説明図である。

まず、図１６に示す第１射出成形機２１０を構成する第１及び第２型部材６２ａ、６４ａを離間させた状態で、第１型部材６２ａのキャビテイ６６ａに位置決めピン７２ａを介して接合体５８が配置される。そして、第１及び第２型部材６２ａ、６４ａが型締めされた状態で、樹脂投入口６８ａから絶縁性樹脂材５１が投入され、この絶縁性樹脂材５１が金属発泡体５０ａに含浸して電子伝導領域５０が成形される。

次いで、電子伝導領域５０は、第１射出成形機２１０から取り出されて、図１７に示す第２射出成形機２１２に移送される。この第２射出成形機２１２では、第１及び第２型部材６２ｂ、６４ｂが互いに離間された状態で、第１型部材６２ｂのキャビテイ６６ｂに電子伝導領域５０が位置決めピン７２ｂを介して配置される。

キャビテイ６６ｂには、連通孔用ボス７４が配置されており、第１及び第２型部材６２ｂ、６４ｂが型締めされた状態で、樹脂投入口６８ｂに絶縁性樹脂材５１ａが投入される。この絶縁性樹脂材５１ａは、キャビテイ６６ｂ内に充填されて電子伝導領域５０の外周部に接合されることにより、通路領域２０２が成形される。従って、電子伝導領域５０と通路領域２０２とが一体化されたターミナルプレート２００（図１５参照）が製造される。

このターミナルプレート２００では、通路領域２０２に、例えば、ガラス繊維樹脂を用いることにより、強度の向上が図られるとともに、耐水性の高い樹脂を用いることによって、冷却媒体や水蒸気及び滞留水に対する耐性の向上が可能になるという効果が得られる。なお、図１８に示すように、電子伝導領域５０と通路領域２０２とを互いに一部を重ね合わせるように接合すれば、接合強度の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。 接合体の側面説明図である。 射出成形機の断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの斜視説明図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、金属発泡体を製造する第１の方法の説明図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、前記金属発泡体を製造する第２の方法の説明図である。 前記金属発泡体を製造する第３の方法の説明図である。 前記金属発泡体を製造する第４の方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの一部切欠斜視説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの一部切欠斜視説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するターミナルプレートの斜視説明図である。 第１射出成形機の断面説明図である。 第２射出成形機の断面説明図である。 樹脂接合部の断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４、１６…セパレータ １８…電解質膜・電極構造体
２０…積層体
２４ａ、２４ｂ、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００…ターミナルプレート
２６ａ、２６ｂ…エンドプレート ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極 ４０…カソード側電極
５０、８２、１０２、１２２、１４２…電子伝導領域
５０ａ、１０６、１０８ａ〜１０８ｃ、１２４、１２６…金属発泡体
５２、２０２…通路領域
５４、１４６、１６２、１８２…ターミナル端子部
５８…接合体 ６０、２１０、２１２…射出成形機
６２、６２ａ、６２ｂ、６４、６４ａ、６４ｂ…型部材
６６、６６ａ、６６ｂ、１１０、１１４…キャビテイ
１１２、１１６…成形型 １６４、１８４…平面部位

Claims (10)

1. 電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向端部にターミナルプレートが配設される燃料電池であって、
   前記ターミナルプレートは、前記電極に電気的に接続される電子伝導領域と、
   前記積層方向に少なくとも反応ガスを流すための反応ガス通路又は冷却媒体を流すための冷却媒体通路が形成された通路領域と、
   を備え、
   前記電子伝導領域は、金属製多孔体と樹脂との複合材で構成される一方、
   前記通路領域は、絶縁性樹脂材で構成されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記ターミナルプレートは、前記電子伝導領域に接合されて外部に電力を取り出すためのターミナル端子部を備えるとともに、
   前記電子伝導領域は、前記ターミナル端子部に向かって金属密度が高くなることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記ターミナルプレートは、前記電子伝導領域に接合されて外部に電力を取り出すためのターミナル端子部を備えるとともに、
   前記ターミナル端子部は、前記電子伝導領域の面方向に延在して該電子伝導領域に接合される平面部位を設けることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電子伝導領域は、前記セパレータと接触する面に導電性被膜が形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層し、積層方向端部にターミナルプレートが配設されるとともに、前記ターミナルプレートは、前記電極に電気的に接続される電子伝導領域と、前記積層方向に少なくとも反応ガスを流すための反応ガス通路又は冷却媒体を流すための冷却媒体通路が形成された通路領域とを有する燃料電池の製造方法であって、
   金属製多孔体と樹脂との複合材を用いて前記電子伝導領域を形成する一方、
   絶縁性樹脂材を用いて前記通路領域を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
6. 請求項５記載の製造方法において、前記電子伝導領域にターミナル端子部が接合されるとともに、
   前記電子伝導領域は、前記ターミナル端子部に向かって金属密度が高くなることを特徴とする燃料電池の製造方法。
7. 請求項５又は６記載の製造方法において、射出成形又は樹脂含浸成形により、前記金属製多孔体に前記絶縁性樹脂材を一体成形することを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の製造方法において、前記電子伝導領域を予め形成した後、該電子伝導領域に該通路領域を一体化することを特徴とする燃料電池の製造方法。
9. 請求項６記載の製造方法において、前記電子伝導領域と前記ターミナル端子部とは、拡散接合又はロウ付けにより接合されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
10. 請求項６記載の製造方法において、前記電子伝導領域と前記ターミナル端子部とは、電子ビーム溶接又はレーザ溶接により接合されることを特徴とする燃料電池の製造方法。

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