JP2007311343A - 複合燃料電池スタック用の非浸透性の低接触抵抗シム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】燃料電池スタックが、スタックの両端にある複合単極板と端子板との間に配置された非浸透性シム板を含み、シム板はステンレス鋼、チタン、または密封グラファイトなどの非腐食性材料で製作される。シム板は非浸透性であるので単極板を通って拡散する冷却液は端子板に接触しないようにされるが、さもなければ端子板は腐食されるであろう。接触抵抗を低減するために、シム板は金、白金、酸化ルテニウム、またはそれらの混合物などの導電性材料で被覆することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に燃料電池スタックに関し、より詳細には、複合単極板を通って浸透する冷却液がスタックの両端にある端子板を腐食しないためにスタックの両端に非浸透性の低接触抵抗シム板を含む燃料電池スタックに関する。

水素は、燃料電池において汚染がなく、効率的に電気を生成するのに使用できるので、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、アノードおよびカソードとそれらの間にある電解質を含む電気化学デバイスである。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素または空気を受け取る。水素ガスはアノードで分離されて自由水素プロトンおよび電子が生成される。水素プロトンは電解質を通りカソードに行く。水素プロトンはカソードで酸素および電子と反応して、水が生成される。アノードからの電子は電解質を通過することができず、したがって負荷を通るように導かれ仕事をしてからカソードに送られる。

プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両用の一般的な燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般にパーフルオロスルホン酸隔膜などの固体重合体電解質プロトン伝導隔膜を含む。アノードおよびカソードは、一般に、炭素粒子上にサポートされ、アイオノマーと混合された微細触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。触媒混合物は隔膜の両側に堆積される。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および隔膜の組合せが膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を画定する。ＭＥＡは製造が比較的高価であり、有効な動作にはある条件を必要とする。

いくつかの燃料電池が、一般に燃料電池スタックに組み合わせられて所望の電力が生成される。例えば、車両用の一般的な燃料電池スタックは２００以上積み重ねられた燃料電池を有することがある。燃料電池スタックはカソード入力ガス、一般に圧縮機によってスタックを強制的に通された空気流を受け取る。酸素のすべてがスタックによって消費されるわけではなく、空気のいくらかはスタック副産物として水を含むことがあるカソード排気ガスとして出力される。燃料電池スタックはスタックのアノード側に流入するアノード水素入力ガスも受け取る。

燃料電池スタックはスタック中のいくつかのＭＥＡの間に配置された一連のバイポーラ板を含む。バイポーラ板はスタックの隣接する燃料電池に対してアノード側およびカソード側を含む。アノードガス流れチャネルがバイポーラ板のアノード側に設けられ、アノード反応物ガスはそれぞれのＭＥＡに流れることができる。カソードガス流れチャネルがバイポーラ板のカソード側に設けられ、カソード反応物ガスはそれぞれのＭＥＡに流れることができる。バイポーラ板はステンレス鋼などの導電性材料で製作され、その結果、燃料電池によって生成された電気はスタックから伝導される。

バイポーラ板は冷却液が流れる流れチャネルも含む。１つの知られた燃料電池スタックの設計では、バイポーラ板はエステルベース圧縮成型板などの複合バイポーラ板であり、冷却液を吸収し、それを隣接した流れ場に漏出させる。

単極板が燃料電池の両端に設けられ、単極板はスタックの最後の燃料電池のカソード側またはアノード側に流れチャネルを含む。端子板は、燃料電池のスタックの単極板の反対側に配置され、スタックによって生成された電流の電流集電体として機能する。ある設計では、端子板はニッケルまたはスズで被覆される銅板である。絶縁体板が端子板に隣接するスタックの端部に配置される。複合材料で製作されたこれらのスタック板では、単極板の流れチャネルを通って流れる冷却液は、単極板を通って漏出し、端子板が配置されている場所の単極板と絶縁体板の間の空所に集まる。冷却液は端子板上の導電性を低くしている被覆を腐食し、その結果としてスタック性能に重大な損失をもたらす。

本発明の教示によれば、スタックの両端にある複合単極板と端子板との間に配置された非浸透性シム板を含む燃料電池スタックが開示され、シム板はステンレス鋼などの非腐食性材料で製作される。シム板は非浸透性であるので単極板を通って拡散する冷却液は端子板に接触しないようにされるが、さもなければ端子板は腐食されるであろう。シム板は複合板との接触抵抗を低減するために金などの導電性材料で被覆することができる。

本発明の追加の特徴は、添付図面と共になされる以下の説明および添付の特許請求の範囲から明白になるであろう。

端子板腐食を防止する非浸透性の低接触抵抗シム板を含む燃料電池スタックを対象にした本発明の実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、応用または用途について本発明を制限することを全く意図していない。

図１は燃料電池スタック１０の端部を別々に引き離した斜視図である。前述のように、燃料電池スタックは一連の繰返しの燃料電池を含み、それらはスタック１０中の隣接する燃料電池に対してアノード側およびカソード側を有するバイポーラ板を含む。バイポーラ板は図１に示されていない。スタック１０の端部に、スタック１０の最後の燃料電池のカソード側またはアノード側のいずれかに対して流れチャネル（図示せず）を含む複合単極板１２が設けられる。複合単極板は一般に成型された半分のものを２つ含み、それらは一緒にして接着される。２つの半分のものは、板の中心を走り抜ける並列の冷却液流れチャネルを画定する。スタック１０で、冷却液は開口１４から板１２の冷却液チャネルを通り、開口１６から流れることになる。開口１８および２０はカソード反応物ガス流用であり、開口２２および２４はアノード反応物ガス流用である。

単極板１２は板１２の底面に形成された成型ガスケット（図示せず）を含む。２つの拡散媒体層３０および３２は、一般に電子移送を行うためにバイポーラ板の反対側の単極板１２に隣接して設けられる。導電性端子板３４はスタック１０によって生成された電気を集めるために設けられ、一般にニッケルまたはスズで被覆された銅板である。端子板３４は、スタック１０の端部で電気絶縁を与える絶縁体板３６によって画定された空所内に配置される。次に、スタック１０の端部構造を形成するために、構造底板（図示せず）がボルトなどによって絶縁体板３６に取り付けられることになる。

前述のように、冷却液は複合板材に浸透するであろう。知られている複合板設計では、冷却液は拡散媒体層３０および３２を通って拡散し、端子板３４の周りの空所に集まり、それは腐食される。本発明によれば、非浸透性の低接触抵抗シム板４０が拡散媒体層３２と端子板３４との間に設けられる。シム板４０は単極板１２と同じ形状を有し、板１２の底面上の成型ガスケットに対して固く締めつけられる。ガスケットを含み、さらにシム板４０と同じ外側外形を有する成型ガスケット担体４２がシム板４０と絶縁体板３６との間に設けられる。したがって、燃料電池スタック１０が組み立てられるとき、シム板４０は単極板１２の下側に固く締めつけられ、単極板１２を通って端子板３４に向かって浸透するいかなる冷却液も板１２とシム板４０との間の空所に集められ、拡散媒体層３０および３２によって吸収される。さらに、シム板４０はガスケット担体４２によって絶縁体板３６に対して固く締めつけられ、したがって、冷却液は端子板３４に接触しないようにされる。

シム板４０は腐食しない任意の適切な材料で製作することができる。一実施形態では、シム板４０はガスまたは液体を浸透しないステンレス鋼またはステンレス鋼合金である。適切な合金はＣ−２７６、ＣＡＲＰ２０、Ｃ−６２５、合金２２、Ｇ−３５、Ｇ−３０、９０４Ｌステンレス鋼、チタンおよびその合金を含む。これらの耐腐食材料はその表面上に受動酸化膜を有し、ガス拡散媒体および複合板材料に高接触抵抗が生成される。したがって、シム板４０は金、白金、酸化ルテニウム、またはそれらの混合物などの導電性材料の薄い層で被覆されることがある。プラズマ気相蒸着法（ＰＶＤ）などの任意の適切な堆積プロセスを使用して板４０上に導電性被覆を１０ｎｍなど任意の適切な厚さに堆積させることができる。さらに、シム板４０は端子板３４に面している表面に被覆することができ、端子板３４をニッケルまたはスズで被覆する必要をなくすことができる。

本発明の別の実施形態によれば、スタック１０の端部アセンブリの接触抵抗をさらに低減するために拡散媒体層３０および３２も金などの導電性材料の薄い層で被覆される。ＰＶＤなどの任意の適切なプロセスを使用して拡散媒体層３０および３２上に導電性層を任意の適切な厚さに堆積させることができる。

代替の実施形態では、シム板４０は、Ｐｏｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手でき、非浸透性および高い導電性の両方があるＰｏｃｏ Ｇｒａｐｈｉｔｅなどの密封グラファイト材料で製作される。この実施形態では、密封グラファイトシム板は外側導電性層を被覆する必要がないであろう。別の実施形態では、圧力が加えられたとき複合板上に良好な圧力分布を維持し、密封グラファイト板を破損しないようにＧｒａｆｏｉｌ（商標）層が複合板とグラファイトシム板との間に配置される。

前述の説明は本発明の単なる例示的な実施形態を開示し記述する。当業者は、そのような説明、添付の図面、および特許請求の範囲から、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく本明細書に様々な変更、改変、および変形を行うことができることを容易に認識されよう。

本発明の実施形態による非浸透性の低接触抵抗シム板を含む燃料電池スタックの端部を別々に引き離した斜視図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ 単極板
１４ 開口
１６ 開口
１８ 開口
２０ 開口
２２ 開口
２４ 開口
３０ 拡散媒体層
３２ 拡散媒体層
３４ 端子板
３６ 絶縁体板
４０ シム板
４２ ガスケット担体

Claims (24)

1. スタックの両端に配置された単極板と、
   各単極板に隣接して配置された非浸透性シム板と、
   各シム板に隣接し、前記単極板の反対側に配置された端子板であって、前記単極板を通って浸透することができる冷却液が前記単極板と前記シム板との間に閉じ込められるように前記非浸透性シム板が前記単極板に固く締めつけられる端子板と
   を備える燃料電池スタック。
2. 前記単極板が複合板である、請求項１に記載のスタック。
3. 前記シム板がステンレス鋼またはステンレス鋼合金のシム板である、請求項１に記載のスタック。
4. 前記シム板がチタンまたはチタン合金のシム板である、請求項１に記載のスタック。
5. 前記シム板が導電性材料の外側層を含む、請求項１に記載のスタック。
6. 前記外側導電性層が金層、酸化ルテニウム層、白金層、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項５に記載のスタック。
7. 前記外側導電性層が約１０ｎｍ厚である、請求項５に記載のスタック。
8. 前記シム板が密封グラファイトシム板である、請求項１に記載のスタック。
9. 前記シム板が前記端子板に面する側に被覆される、請求項１に記載のスタック。
10. 前記単極板と前記シム板との間に配置された少なくとも１つの拡散媒体層をさらに備える、請求項１に記載のスタック。
11. 前記少なくとも１つの拡散媒体層が導電性材料の外側被覆を含む、請求項１０に記載のスタック。
12. 前記スタックが車両の燃料電池システムの一部である、請求項１に記載のスタック。
13. スタックの両端に配置された複合単極板と、
    各単極板に隣接して配置された少なくとも１つの拡散媒体層と、
    前記少なくとも１つの拡散媒体層に隣接し、前記単極板の反対側に配置されたステンレス鋼またはステンレス鋼合金のシム板であって、外側導電性層を含むシム板と、
    前記シム板に隣接し、前記単極板の反対側に配置された端子板であって、前記単極板を通って浸透することができる冷却液が前記単極板と前記シム板との間に閉じ込められるように前記シム板が前記単極板に密着している端子板と
    を備える燃料電池スタック。
14. 前記外側導電性層が金層、酸化ルテニウム層、白金層、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１３に記載のスタック。
15. 前記外側導電性層が約１０ｎｍの厚さを有する、請求項１３に記載のスタック。
16. 前記少なくとも１つの拡散媒体層が導電性材料の外側被覆を含む、請求項１３に記載のスタック。
17. 前記シム板が前記端子板に面する側に被覆される、請求項１３に記載のスタック。
18. スタックの両端に配置された複合単極板と、
    前記単極板に隣接して配置された少なくとも１つの拡散媒体層と、
    前記少なくとも１つの拡散媒体層に隣接し、前記単極板の反対側に配置された密封グラファイトシム板と、
    前記シム板に隣接し、前記単極板の反対側に配置された端子板であって、前記単極板を通って浸透することができる冷却液が前記単極板と前記シム板との間に閉じ込められるように前記シム板が前記単極板に密着している端子板と
    を備える燃料電池スタック。
19. 前記少なくとも１つの拡散媒体層が導電性材料の外側被覆を含む、請求項１８に記載のスタック。
20. 前記シム板が前記端子板に面する側に被覆される、請求項１８に記載のスタック。
21. スタックの両端に配置された複合単極板と、
    各単極板に隣接して配置された少なくとも１つの拡散媒体層と、
    前記少なくとも１つの拡散媒体層に隣接し、前記単極板の反対側に配置されたチタンまたはチタン合金のシム板であって、外側導電性層を含むシム板と、
    前記シム板に隣接し、前記単極板の反対側に配置された端子板であって、前記単極板を通って浸透することができる冷却液が前記単極板と前記シム板との間に閉じ込められるように前記シム板が前記単極板に密着している端子板と
    を備える燃料電池スタック。
22. 前記外側導電性層が金層、酸化ルテニウム層、白金層、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２１に記載のスタック。
23. 前記外側導電性層が約１０ｎｍの厚さを有する、請求項２１に記載のスタック。
24. 前記少なくとも１つの拡散媒体層が導電性材料の外側被覆を含む、請求項２１に記載のスタック。

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