JP2005293876A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】 メタルセパレータの耐腐食性の向上と低コスト化を両立できる燃料電池スタックを提案する。
【解決手段】 本発明の燃料電池スタック（１０）は、電解質膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セル（２０）を所定数積層したセルスタック（２１）を備えており、セルスタック（２１）のマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施している。全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池スタックに関し、特に、メタルセパレータの耐腐食性の向上と低コスト化の両立を図る改良技術に関する。
固体高分子型燃料電池スタックは固体高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード極とカソード極を対向配置し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セルを所定数積層したスタック構造を成している。ステンレス等のメタルセパレータを用いる場合、メタルセパレータが高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長時間使用すると金属の腐食や溶解が生じる。メタルセパレータが腐食すると、溶出した金属イオンが固体高分子電解質膜に拡散し、イオン交換サイトにトラップされて固体高分子電解質膜自体のイオン導電性が低下する。また、メタルセパレータの穴あきによる反応ガスの漏出や、シールラインを侵食することによる冷却水の漏出などが生じる。このような不都合を回避するため、特開２０００−２１４１８号公報には、導電性セパレータの表面を酸性雰囲気に不活性な金属層、例えば、金又は銀で表面処理（メッキ処理）する技術が提案されている。
特開２０００−２１４１８号公報
しかし、燃料電池スタックを構成する全てのメタルセパレータについて、金又は銀などの貴金属で表面処理を行うと、製造コストが高くなる。
そこで、本発明はメタルセパレータの耐腐食性の向上と低コスト化を両立できる燃料電池スタックを提案することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池スタックは電解質膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セルを所定数積層したセルスタックを備える燃料電池スタックであって、セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施している。全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。耐腐食性の表面処理を施す箇所としては、例えば、セルスタックを冷却するための冷却水、又はセルスタックに供給される反応ガスに含まれる水分がメタルセパレータに触れる部位を選定するのが望ましい。
本発明によれば全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。
本実施形態の燃料電池スタックは、セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施している。セルスタックのプラス側端部に介挿された数枚のメタルセパレータの冷却水通路には酸化電流が流れ、しかも、プラス側端部で局所的に酸化電流が急増する。メタルセパレータの電気的な腐食はセルスタックのプラス側端部でのみ発生し易いため、メタルセパレータの腐食対策は、主として、プラス側端部に重点をおく必要がある。セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施すことで、全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。
図１は本実施例の燃料電池スタック１０の説明図である。同図（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０は電解質膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セル２０を直列に所定数積層したセルスタック２１を備えている。セルスタック２１の両端部には電力取り出し用の一対のターミナルプレート３１，３２が配置されている。ターミナルプレート３１，３２の外側は絶縁プレート４１，４２を介して一対のエンドプレート５１，５２によって挟装されている。セルスタック２１の内部に貫設された冷却水路（図示せず）にはプラス側端部において局所的に酸化電流が流れる（同図（ｂ））。酸化電流はセルスタック２１のプラス側端部で急増する。セルスタック２１のうち所定の閾値以上の酸化電流が流れる部位ＰＡには耐腐食性の表面処理が施されたメタルセパレータが介挿され、閾値未満の酸化電流が流れる部位ＰＢには耐腐食性の表面処理が施されていないメタルセパレータが介挿されている。閾値としては、メタルセパレータの耐腐食性向上と低コスト化の両立を図る観点から適度な電流値に設定するのが望ましいが、酸化電流はセルスタック２１の一部でのみ局所的に流れるため、少しでも酸化電流が流れる部位に耐腐食性表面処理済みのメタルセパレータを介挿してもよい。
図２はメタルセパレータ６０の平面図である。耐腐食性の表面処理を施す部位としては水分が触れる箇所が望ましい。例えば、冷却水入口マニホールド６１、冷却水出口マニホールド６２、及び冷却面６３などの部位に耐腐食性の表面処理を施すのがよい。メタルセパレータ６０に触れる水分は、単セル２０を冷却するための冷却水だけでなく、単セル２０に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が電池反応をすることによって生じた生成水や、結露等で生じた結露水なども含まれるため、反応ガスの入口マニホールド、出口マニホールド、及びガスチャンネルなどにも耐腐食性の表面処理を施すのが望ましい。また、メタルセパレータ６０のうち水分が触れる箇所には耐腐食性の高い表面処理を施し、水分が触れない箇所には耐腐食性の低い表面処理を施すようにしてもよい。耐腐食性の高い表面処理としては、例えば、金又は銀などの貴金属を用いたメッキ処理や、厚膜のメッキ処理などがある。耐腐食性の低い表面処理としては、例えば、薄膜のメッキ処理などがある。
本実施例によれば、閾値以上の酸化電流が流れる部位ＰＡのみに耐腐食性表面処理が施されたメタルセパレータ６０を介挿しているため、セルスタック２１を構成する全てのメタルセパレータ６０に耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。
本実施例では閾値以上の酸化電流が流れる部位ＰＡに耐腐食性の高い表面処理を施したメタルセパレータ６０を介挿し、閾値未満の酸化電流が流れる部位ＰＢに耐腐食性の低い表面処理を施したメタルセパレータ６０を介挿している。同一の部位ＰＡ（又は部位ＰＢ）内に介挿されるメタルセパレータ６０に施される表面処理の耐腐食性の程度は同程度でもよいが、セルスタック２１のマイナス側からプラス側にかけて次第に耐腐食性の程度が高くなるようにしてもよい。
本実施例によれば、メタルセパレータ６０に施される表面処理の耐腐食性の程度をセルスタック２１の位置（又は酸化電流の大きさ）に応じて変えているため、セルスタック２１を構成する全てのメタルセパレータ６０に耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。
本実施形態の燃料電池スタックの説明図である。 メタルセパレータの説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池スタック ２０…セル ２１…セルスタック ３１，３２…ターミナルプレート ４１，４２…絶縁プレート ５１，５２…エンドプレート ６０…メタルセパレータ ６１…冷却水入口マニホールド ６２…冷却水出口マニホールド ６３…冷却面

Claims (2)

  1. 電解質膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セルを所定数積層したセルスタックを備える燃料電池スタックであって、前記セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理が施されている、燃料電池スタック。
  2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、耐腐食性の表面処理は前記セルスタックを冷却するための冷却水又は前記セルスタックに供給される反応ガスに含まれる水分がメタルセパレータに触れる部位に施されている、燃料電池スタック。

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