JP2008123958A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムであり、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうち、アノード極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これらの一対の電極で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では、各々(1)、(2)反応が行われる。 A fuel cell system is a system that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy, and supplies a fuel gas containing hydrogen to the anode of a pair of electrodes provided with an electrolyte in between, and the other An oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, and electric energy is extracted from the electrodes by using the following electrochemical reaction that occurs at the pair of electrodes. Each electrode performs (1) and (2) reactions.
アノード反応:H2→2H++2e− …(1)
カソード反応:2H++2e−+(1/2)O2→H2O …(2)
アノード極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、またはメタノール、ガソリン、アルコール及び天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法により供給される。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等がある。カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
The fuel gas supplied to the anode electrode is supplied by a method of supplying directly from a hydrogen storage device or a method of supplying a hydrogen-containing gas obtained by reforming a fuel such as methanol, gasoline, alcohol and natural gas. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Air is generally used as the oxidant gas supplied to the cathode electrode.
従来、両極のセパレータにはグラファイトや樹脂と黒鉛粉末を主成分とした複合材料をプレス成形したカーボン系セパレータを使用していたが、特に移動体への燃料電池の積載を目的とする場合には、小型化とそれに伴う出力密度向上のために、薄型化の可能な金属セパレータを使用するための開発が行われている。セパレータ材料がカーボン等の非金属である場合は、セパレータと集電板間の電食は原理的に発生しなかった。しかし、金属セパレータを用いることにより、金属セパレータと集電板間の電食の問題が発生するようになった。しかしながら、金属セパレータの使用に関しては、主として膜電極接合体に対峙する側の金属セパレータの耐食性向上及び性能向上のため、多層化、表面改質及びコーティング等の処理が行われている(特許文献1、2、3参照。)。
燃料電池は単位セルあたりの起電圧が約1.2[V]以下であるため、移動体の動力源として用いられる場合は単位セルを積層し、直列に接続することで昇圧される。燃料電池の両極には、発生した電気を集めるための集電板が設けられ、燃料電池は集電板に挟持される構造となる。従って、燃料電池の両極部においては、集電板と金属セパレータが対峙することになる。燃料電池内のセパレータと集電板が対峙する部位は、セパレータ及び集電板に金属材料を用いた際、セパレータ及び集電板の素材又は表面層の材料の組み合わせを規定しない場合には、異種金属の接触部が存在することになる。この場合、集電板とセパレータの対峙面はそれらに用いる材料の組合せにより電食を起こす場合があり、セパレータ側が金属溶出側(アノード反応側)となる場合には、セパレータの板厚が薄いため腐食により穴あきが起こる可能性がある。これに加え、燃料電池の運転負荷の変動に伴う電位の変化、燃料電池の運転温度の変化、かつ乾燥又は加湿された燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒の三流体が流れる雰囲気に晒される燃料電池特有の環境となり、電食をはじめとする腐食現象が促進される環境下となる。セパレータに対して集電板側が電気化学的に貴な場合では、セパレータが酸化反応を起こし、金属が溶出することでセパレータの穴あきが生じる。また、セパレータの穴あきを防ぐためにセパレータを厚くした場合、燃料電池システムの小型化による出力密度向上に対する障害となることに加え、使用金属量が増加することからコストが高くなる。この集電板と対峙する面における電食に対する耐食性を問題視し、金属セパレータと集電板間の材料の組合せについて規定した例はない。 Since the fuel cell has an electromotive voltage per unit cell of about 1.2 [V] or less, when used as a power source for a mobile body, the unit cell is stacked and connected in series to increase the voltage. A current collector plate for collecting the generated electricity is provided at both electrodes of the fuel cell, and the fuel cell is sandwiched between the current collector plates. Therefore, the current collector plate and the metal separator are opposed to each other at both electrode portions of the fuel cell. The part of the fuel cell where the separator and the current collector plate face each other is different if a metal material is used for the separator and the current collector plate, and the combination of the material of the separator and current collector plate or the material of the surface layer is not specified. There will be a metal contact. In this case, the opposing surface of the current collector plate and the separator may cause galvanic corrosion depending on the combination of the materials used, and when the separator side is the metal elution side (anode reaction side), the separator plate is thin. Perforation can occur due to corrosion. In addition to this, a fuel cell that is exposed to a change in potential accompanying a change in the operating load of the fuel cell, a change in the operating temperature of the fuel cell, and an atmosphere through which three fluids of dried or humidified fuel gas, oxidant gas, and refrigerant flow. It becomes a peculiar environment, and it becomes the environment where corrosion phenomenon including electric corrosion is promoted. In the case where the current collector plate side is electrochemically noble with respect to the separator, the separator undergoes an oxidation reaction, and the metal is eluted, so that the separator is perforated. Further, when the separator is made thick in order to prevent perforation of the separator, the cost increases because the amount of metal used increases in addition to an obstacle to improvement in output density due to downsizing of the fuel cell system. There is no example that defines the combination of materials between the metal separator and the current collector plate, considering the corrosion resistance against electric corrosion on the surface facing the current collector plate as a problem.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る燃料電池は、セパレータの第1の表面層と、集電板の第2の表面層とが接触する燃料電池において、第1の表面層は、第2の表面層以上に電気化学的に貴であることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a fuel cell according to the present invention is a fuel cell in which a first surface layer of a separator and a second surface layer of a current collector plate are in contact with each other. The first surface layer is electrochemically more noble than the second surface layer.
本発明によれば、セパレータと集電板とが接触する部位において、腐食が防止された燃料電池が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell by which corrosion was prevented in the site | part which a separator and a current collector plate contact is provided.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明する。本発明の実施の形態では、固体高分子形電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池に適用した例を示す。 Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described. In the embodiment of the present invention, an example applied to a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane is shown.
第一実施形態
図1は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池から構成される燃料電池スタック10の外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池スタック10のII-II線断面図であり、スタックとして実施された際の両端部を概略図として示す。図3は、図1に示す燃料電池スタック10のIII-III線断面図であり、ガス及び冷媒の流れ方向に垂直な面における燃料電池スタック10の断面図である。図2、図3ではアノードセパレータ15とカソードセパレータ16を燃料電池スタック10の両端部まで単調に積み上げ、燃料電池スタック10を構成した例を示した。便宜上、図2、図3に示した構成例をもとに説明する。図4は、図3の部分拡大図であり、カソードセパレータ16と集電板17が接触する部位の概略図である。図5は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池を実施した際の時間に対するセパレータ素材又は表面層の腐食の関係を従来の組合せと比較した結果を示すグラフである。
First Embodiment FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a
図1に示すように、燃料電池スタック10は、電解質膜11と触媒電極12より構成される電解質膜電極接合体14(MEA:Membrane electrode Assembly)とガス拡散層13を挟持するアノードセパレータ15とカソードセパレータ16とから構成され、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数積層して構成される。燃料電池スタック10内で積層されるこれらの要素は、積層方向両端にそれぞれ設けられた一対の集電板17を締結ボルト(不図示)によって締結することにより固定される。なお、燃料電池スタック10へ締結力を与えるばね機構によって固定してもよい。集電板17は、燃料電池スタック10で発電した電力を両端部で集める機能を有し、配線を介して電気により駆動する機器及び電気を貯蔵する機器へ接続される。また、図1に示すように、燃料電池スタック10には、各セルに水素ガス等の水素を含有するアノードガスを供給するためのアノードガス供給ライン、カソードガスを供給するカソードガス供給ライン、冷却水を供給する冷却水供給ラインとして機能するマニホールド穴28が設けられている。積層方向は上下方向に限らず任意の方向で良い。なお、以下の例では、便宜上、図2、3にしたがって上下を規定する。すなわち燃料電池スタック10の積層方向を上下方向と規定する。本発明の第一実施形態では、燃料電池スタック10は、複数の単セルを積層してスタックとしたものであるが、積層数が一層の単セルのみの場合においても同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 1, a
電解質膜11には、フッ素系の陽イオン交換膜を用いることができ、それ以外には例えばハイドロカーボン系の膜を用いても構わない。触媒電極12は、白金担持カーボンを電解質交換膜へホットプレスし形成したものを用いることができるが、例えばルテニウム等の他の金属との合金を白金の代わりに用いてもよく、担持物として活性炭、黒鉛等を用いても構わない。また、ガス拡散層13側に触媒を担持させてもよい。ガス拡散層13にはカーボンペーパーを用いることができるが、カーボンクロスや金属製をはじめとする導電性多孔体も用いることができる。また、アノード、カソード両極で異なる仕様のものを用いても良い。
As the
アノードセパレータ15及びカソードセパレータ16は、オーステナイト系ステンレス材をプレス成形し、流体が通過する流路形状を形成したものを用いた。この際、セパレータ材料はアルミ、チタン等の他の金属を用いても良いし、ステンレス材であればフェライト系であっても構わない。また、耐腐食性及び導電率向上のためにメッキ、コーティング等の表面処理を行っても良い。成形方法は、機械加工、エッチング等を用いることも可能である。アノードセパレータ15にはアノードガス(水素含有ガス)を供給するためのアノードガス流路18が形成され、カソードセパレータ16にはカソードガス(主に空気)を供給するためのカソードガス流路19が成形されている。それぞれの裏面には冷媒(主に冷却水)を流すための冷媒流路20が形成されている。冷媒のシールには、アノードセパレータ15及びカソードセパレータ16の圧縮力の反力を利用した圧縮シール21を用いたが、溶接によりシールすることも可能である。
The
アノードガス及びカソードガスが外部へ漏洩することを抑制するために、電解質膜11とアノードセパレータ15とカソードセパレータ16との接合体の間には、電解質膜11側にシール材22を配置した。このシール材22は、例えばシリコンにより成形され、シール材22が圧力により潰れ、反力を得ることでシール性を維持している。シール材22は、シール支持層23上に成形し配置したが、シール支持層23はなくても構わない。またシール材22はセパレータ側に成形してもよい。
In order to prevent the anode gas and the cathode gas from leaking to the outside, a sealing
本発明の第一実施形態に係る燃料電池から構成される燃料電池スタック10では、セパレータ15、16の第1の表面層15a、16aと、集電板17の第2の表面層17aとが接触し、第1の表面層15a、16aは、第2の表面層17a以上に電気化学的に貴であることを特徴とする。組合せの例として、第1の表面層に金メッキ、第2の表面層に銀メッキを用いることができる。また第1の表面層15a、16aはセパレータ15、16の基材と同素材であっても構わない。同様に第2の表面層17aは集電板17の基材と同素材であっても構わない。表面層が基材と同素材の場合においても、セパレータの第1の表面層15a、16aが集電板の第2の表面層17a以上に電気化学的に貴であれば同様の効果が得られる。図4に、カソードセパレータ16と集電板17が接触する部位の概略図を示す。カソードセパレータ16の第1の表面層16aは、集電板17の第2の表面層17aと接触する接触部16a2、16a4、16a6、16a8と、集電板17の第2の表面層17aと接触しない非接触部16a1、16a3、16a5、16a7、16a9とを有し、集電板17の第2の表面層17aは、カソードセパレータ16の第1の表面層16aと接触する接触部17a2、17a4、17a6、17a8と、カソードセパレータ16の第1の表面層16aと接触しない非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9とを有する。第1の表面層16aの非接触部16a1、16a3、16a5、16a7、16a9及び第2の表面層17aの非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9は、流路24を画成している。なお、図3に示すように、アノードセパレータ15は、アノードセパレータ15と集電板17により、流路25を画成している。流路24及び25には酸化を防止する流体を流しても良い。例として示した第1の表面層に金メッキ、第2の表面層に銀メッキを適用した場合、第1の表面層15a、16aは第2の表面層17aと比較して電気化学的に貴となる。したがって、異種金属の接触による電食が起こる場合においても第2の表面層17aの銀がアノード反応(酸化反応)側となるため、溶出によりセパレータ15、16が厚さ方向に薄くなり、穴あきに至ることを抑止する。さらに流路24、25に酸化を防止する流体を供給した場合はカソードセパレータ16と集電板17の接触部の腐食が当該部が晒される環境的な要因からも抑止できる。このため、セパレータ15、16と集電板17とが接触する接触部16a2、16a4、16a6、16a8において、腐食が防止された燃料電池が提供される。
In the
ここで、一例として第1の表面層15a、16aに金メッキ、第2の表面層17aに銀メッキを適用した例を示したが、セパレータ15、16の素材又は表面層が集電板17の表面よりも電気化学的に貴又は同等であれば腐食を防止する効果が得られる。また、金属材料から形成されるものであれば、例えば複数種金属材を点在させた表面層や部位により金属種が異なるものとしても良い。例えば、第1の表面層(セパレータ15、16の表面層)は、金、白金、ルテニウム、パラジウム、 ロジウム、イリジウム、オスミウム、銀、銅及び金属窒化物から選択されたいずれかの金属を含み、第2の表面層(集電板17の表面層)は、銀、銅及び金属窒化物から選択されたいずれかの金属を含むことが好ましい。この中から適宜電気化学的な高低を規定し、選択することにより、セパレータ15、16の表面層は集電板17の表面層よりも電気化学的に貴又は同等とすることができるため、セパレータ15、16の穴あきを防止し、セパレータ15、16の耐久性が向上することに加え、薄型化することができる。例えば、セパレータ15、16側の表面に銀、集電板17側の表面に銅を用いる組合せや、セパレータ15、16側及び集電板17側の表面を共に金属窒化物とする組合せが挙げられる。また、本実施の形態で示した銅及び金属窒化物は特に安価であり、セパレータ15、16表面の材料との関係を適切に選択することでコスト低減の効果も有する。
Here, as an example, gold plating is applied to the first surface layers 15a and 16a, and silver plating is applied to the
なお、電気化学的に貴という表現は、標準電極電位が高いという表現とほぼ同義として理解して良い。本実施の形態では、セパレータ15、16及び集電板17の素材又は表面層に用いた材料の電気化学的な電位の高低が不明な場合、素材を例えば硫酸に代表される酸液中に浸漬し、銀塩化銀電極に代表される参照電極を挿入し、素材を酸液中に浸漬した際の浸漬電位を計測する。計測された電位が高い方を電気化学的に貴と判断することができる。
Note that the expression electrochemically noble may be understood as being almost synonymous with the expression that the standard electrode potential is high. In this embodiment, when the level of the electrochemical potential of the material used for the material of the
このように、本実施の形態のようにセパレータ側の溶出が防止できる場合、セパレータに対して穴あきによる流体の漏洩の懸念がなくなるため、小型化による高出力密度化を目指したセパレータの薄型化も可能となる。 In this way, when elution on the separator side can be prevented as in this embodiment, there is no risk of fluid leakage due to perforation of the separator, so the thickness of the separator is reduced with the aim of higher output density by downsizing Is also possible.
図5は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池を実施した際の時間に対するセパレータ素材又は表面層の腐食の関係を従来の組合せと比較した結果を示すグラフである。従来の組合せは、セパレータ表面が集電板に対して卑になるものとした。図中Aで示す従来の組合せAは、図中Bで示す従来の組合せBと比較して、集電板とセパレータ間の浸漬電位の差がより大きい組合せとした。図中Cで示す曲線は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の結果を示すものであり、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合を示している。図において、縦軸はセパレータからの金属の溶出量を示し、金属溶出量が大きいほど、セパレータの穴あきが早く起こることを意味している。金属溶出量は、燃料電池から排出される液水中に含まれる金属イオンをICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析装置)により定量することで求めた。集電板とセパレータ間の浸漬電位の差がより大きい組合せの場合、運転時間が長くなるほどセパレータからの金属の溶出量が多くなった。また、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合には、金属の溶出量が抑えられ、運転時間が長くなっても、金属の溶出量は低いままであった。このように、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合には、セパレータの耐久性が向上することが示された。 FIG. 5 is a graph showing a result of comparing the relationship of the corrosion of the separator material or the surface layer with respect to time when the fuel cell according to the first embodiment of the present invention is implemented with a conventional combination. In the conventional combination, the separator surface becomes a base with respect to the current collector plate. The conventional combination A indicated by A in the figure is a combination in which the difference in the immersion potential between the current collector and the separator is larger than the conventional combination B indicated by B in the figure. The curve indicated by C in the figure shows the result of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and shows the case where the separator is electrochemically noble than the current collector plate. In the figure, the vertical axis indicates the metal elution amount from the separator, and the larger the metal elution amount, the faster the perforation of the separator occurs. The metal elution amount was determined by quantifying the metal ions contained in the liquid water discharged from the fuel cell by ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer). In the case of a combination in which the difference in the immersion potential between the current collector and the separator was larger, the amount of metal eluted from the separator increased as the operating time became longer. In addition, when the separator was electrochemically more noble than the current collector plate, the metal elution amount was suppressed, and the metal elution amount remained low even when the operation time was long. Thus, it was shown that when the separator is electrochemically more noble than the current collector plate, the durability of the separator is improved.
セパレータ15、16の表面層と集電板17の表面層とが電気化学的に同等であり、セパレータ15、16の表面層が集電板17の表面層より厚い場合にも、同様の効果が得られる。この場合、セパレータ15、16と集電板17の素材又は表面層が電気化学的に同等であることにより、セパレータ15、16と集電板17の電食を素材の組合せにより抑止する。しかし、セパレータ15、16の表面層が燃料電池の運転にともなう温度、電位、雰囲気ガスの大きな変化により燃料電池特有の腐食環境下に晒され、経時的に変化し、劣化または変質する可能性がある。そこで、セパレータ15、16の表面層に変化が生じた場合においても、セパレータ15、16の素材の溶出を抑止するために、集電板17の表面層に対してセパレータ15、16の側の表面層を厚くすることでセパレータ15、16の表面層の耐久性を向上させる。例えば、セパレータ15、16及び集電板17の表面層が共に銀メッキで処理されている場合、セパレータ15、16側の銀メッキ処理層の厚さを厚くし、セパレータ15、16側の耐食性を向上させることで達成する。このように、セパレータ15、16側の素材又は表面層を厚くすることで、セパレータ15、16側の素材又は表面層の欠陥、もしくは経時変化による劣化の可能性が低下する。このように、セパレータ15、16の耐食性が向上するため、セパレータ15、16から金属が溶出することによる穴あきを防止し、セパレータ15、16の耐久性が向上することに加え、コストを低減かつ薄型化することができる。
The same effect can be obtained when the surface layer of the
なお、本発明の第一実施形態に係る燃料電池では、流路24、25を設け、そこに酸化防止剤を流すことができる。この場合、酸化防止剤によりセパレータ15、16と集電板17間の腐食性が変化する。このため、流路24、25には金属の酸化を防止する酸化防止剤を満たし腐食を抑止する。一例としてアンモニアがあげられる。アンモニア以外に、金属の酸化を防止する流体としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、亜硝酸ジシクロメキシルアンモニウム、炭酸シクロヘキシルアミン、エタノールアミン炭酸塩、水素があげられる。このように、酸化防止剤を流すことにより、セパレータ15、16と集電板17との接触部16a2、16a4、16a6、16a8及び接触部17a2、17a4、17a6、17a8において、セパレータ15、16の酸化反応による金属溶出を抑えられる。このため、セパレータ15、16の穴あきを防止し、セパレータ15、16の耐久性を向上させることができることに加え、コスト低減かつ薄型化することができる。
In the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, the
酸化防止剤は、燃料電池の陽極側の非接触部が画成する空間に存在させてもよく、またそれが陰極側であってもかまわない。また、セパレータをセパレータ15とセパレータ16を単調に繰り返して積層した場合、セパレータ15、16と集電板17により画成される流路24、25には容易に異なる流体を流すことができる。金属の酸化を防止する流体としては、例えば、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、亜硝酸ジシクロメキシルアンモニウム、炭酸シクロヘキシルアミン、エタノールアミン炭酸塩、水素を用いることができる。
The antioxidant may be present in the space defined by the non-contact portion on the anode side of the fuel cell, or it may be on the cathode side. Further, when the
その中でも酸化防止剤は、水素含有ガスであることが好ましい。この場合には、セパレータ15、16と集電板17間において、セパレータ15、16の酸化反応による金属溶出を抑止する。このため、セパレータ15、16の穴あきを防止し、セパレータ15、16の耐久性が向上することに加え、コスト低減かつ薄型化することができる。
Among them, the antioxidant is preferably a hydrogen-containing gas. In this case, metal elution due to the oxidation reaction of the
さらに、水素含有ガスは、燃料電池の燃料ガスに用いるガスであることが好ましい。この場合には、酸化を防止するために特別な仕組みを必要とせず、燃料ガスと共用することができ、システム全体の簡素化、コスト低減にもつながる。そして、該水素含有ガスによりセパレータ15、16と集電板17間におけるセパレータ15、16の酸化反応による金属溶出を抑止する。このため、セパレータ15、16の穴あきを防止することができ、セパレータ15、16の耐久性が向上する。
Furthermore, the hydrogen-containing gas is preferably a gas used for the fuel gas of the fuel cell. In this case, no special mechanism is required to prevent oxidation, and it can be shared with fuel gas, leading to simplification of the entire system and cost reduction. The hydrogen-containing gas suppresses metal elution due to the oxidation reaction of the
以上示したように、本発明の第一実施形態に係る燃料電池では、セパレータの第1の表面層と、集電板の第2の表面層とが接触する燃料電池において、第1の表面層は、第2の表面層以上に電気化学的に貴であるため、セパレータと集電板とが接触する部位において、腐食が防止された燃料電池が提供される。 As described above, in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, in the fuel cell in which the first surface layer of the separator and the second surface layer of the current collector plate are in contact, the first surface layer Is electrochemically more noble than the second surface layer, so that a fuel cell in which corrosion is prevented at a portion where the separator and the current collector plate contact is provided.
第二実施形態
次に、本発明の第二実施形態に係る燃料電池について説明する。図6は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ26と集電板17が接触する部位の概略図である。図5において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ26の第1の表面層26aを、セパレータ26の表面に形成されたリブ上にのみ設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Second Embodiment Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a partially enlarged view of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, and is a schematic view of a portion where the
図6に示すように、第二実施形態では、セパレータ26と集電板17の接触する部位にのみ第1の表面層26aを設け、第1の表面層26aと集電板17の第2の表面層17aとが接触し、第1の表面層26aは第2の表面層17a以上に電気化学的に貴な組合せとした。組合せの一例として第1の表面層を金メッキ、第2の表面層を銀メッキとすることで効果を得ることができる。セパレータ26の第1の表面層26aは、集電板17の第2の表面層17aと接触する接触部26a1、26a2、26a3、26a4を有し、集電板17の第2の表面層17aは、セパレータ26の第1の表面層26aと接触する接触部17a2、17a4、17a6、17a8と、セパレータ26の第1の表面層26aと接触しない非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9とを有する。セパレータ26の集電板17の接触しない非接触部261、262、263、264、265及び非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9は、流路27を画成している。
As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the
第二実施形態では、セパレータ26と集電板17の接触する接触部26a1、26a2、26a3、26a4及び接触部17a2、17a4、17a6、17a8において、集電板17に対してセパレータ26側が電気化学的に貴であるため、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板17の第2の表面層17aがアノード反応(酸化反応)側となり、セパレータ26素材が溶出し、穴あきに至ることを抑止する。このように、セパレータ26と集電板17間の電食によるセパレータ26の穴あきを最低限の部位の材料規定で防止する。このため、セパレータ26の耐久性が向上することに加え、セパレータ26の素材又は表面層が貴金属等の高価である場合、セパレータ26と集電板17とが接触する部位のみに第1の表面層を形成することでコストを低減することも可能である。また、燃料電池の薄型化も可能となる。なお、本実施の形態において、セパレータ26はアノードセパレータ又はソードセパレータのいずれにおいても適用できる。
In the second embodiment, the
第三実施形態
次に、本発明の第三実施形態に係る燃料電池について説明する。図7は、本発明の第三実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ36の部分的な概略図である。図7において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ36の第1の表面層40を、セパレータ36の集電板17と接触する面36bのマニホールドを形成するマニホールド穴37、38、39とシール29との間に設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Third Embodiment Next, a fuel cell according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a partially enlarged view of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, and is a partial schematic view of the
図7において、セパレータ36の下側の面を集電板17と接触しない面36aとし、上側を集電板17と接触する面36bとする。セパレータ36は、マニホールド穴37、38、39周辺に流体の漏洩を防止するシール29が配置され、セパレータ36は、流体の漏洩を防止するシール41が配置されている。シール28は、面方向へ流したい流体の種類によりマニホールド穴39周辺の非シール部40a部分のように配置しない部分もある。図7において、流体は矢印Dで示す方向に流れ、シールを配置しない部分のみセパレータ面方向へ流体が流れ込む構造となっている。マニホールド穴37、38、39とシール29との間には第1の表面層40が形成され、集電板17の表面には第2の表面層17aを形成した。
In FIG. 7, the lower surface of the
この構成の場合でもセパレータ36側が電気化学的に貴となるような組合せを提供する。これにより、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板17表面がアノード反応(酸化反応)側となり、セパレータ36素材が溶出し、セパレータ36が穴あきにいたることを抑止する。特に、マニホールド穴付近が穴あきに至り、他の流体との混入が生じる場合、マニホールド穴の下流にあたるすべてのセルへ他の流体が混入した状態で流体を供給することとなり、性能および耐久性低下の原因となるが、本実施の形態では、この現象を防止している。なお、本実施の形態において、セパレータ36はアノードセパレータまたはカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。
Even in this configuration, a combination is provided in which the
第四実施形態
次に、本発明の第四実施形態に係る燃料電池について説明する。図8は、本発明の第四実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ46と集電板17が接触する部位の概略図である。図9は、図8の部分拡大図である。図8において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ46表面(第1の表面層)に溶接部48、49がある点のみが相違する。溶接は、セパレータ同士の接合および流体のシールを目的として使用される。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Fourth Embodiment Next, a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a partial enlarged view of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention, and is a schematic view of a portion where the
本発明の第四実施形態では、セパレータ46の第1の表面層46aと、集電板17の第2の表面層17aとが接触し、セパレータ46表面には溶接部48、49があり、第1の表面層46aおよび溶接部49は第2の表面層17a以上に電気化学的に貴であることを特徴とする。図8に、セパレータ46と集電板17が接触する部位の概略図を示す。セパレータ46の第1の表面層46aは、集電板17の第2の表面層17aと接触する接触部46a2、46a4、46a6、46a8と、集電板17の第2の表面層17aと接触しない非接触部46a1、46a3、46a5、46a7、46a9とを有し、集電板17の第2の表面層17aは、セパレータ46の第1の表面層46aと接触する接触部17a2、17a4、17a6、17a8と、セパレータ46の第1の表面層46aと接触しない非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9とを有する。第1の表面層46aの非接触部46a1、46a3、46a5、46a7、46a9及び第2の表面層17aの非接触部17a1、17a3、17a5、17a7、17a9は、流路47を画成している。接触部46a2、46a4、46a6、46a8において、セパレータ46は表面に溶接部48、49をもち、溶接された部位を集電板の第2の表面層に接しない溶接部48と集電板の第2の表面層に接する溶接部49に分けて説明する。溶接部48、49は、第1の表面層形成後に溶接した場合、溶接時に晒される温度影響により金属組成が変化する場合や基材部分が露出する場合がある。
In the fourth embodiment of the present invention, the
溶接後には溶接部49と集電板17の接触部17a2、17a4、17a6、17a8とが接触する。本実施の形態では、集電板と接する溶接部49が集電板17の接触部17a2、17a4、17a6、17a8よりも電気化学的に貴であるものとした。この際、溶接後に溶接部49が溶接により変化した溶接後の物性を予備試験により把握しておくことが望ましい。これにより、溶接により金属組成が変化した場合であっても溶接部49と接触する接触部46a2、46a4、46a6、46a8の表面においてもセパレータ46側のアノード反応(酸化反応)が抑止され、穴あきが防止される。なお、本実施の形態において、セパレータ46はアノードセパレータ又はカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。
After welding, the welded
第五実施形態
次に、本発明の第五実施形態に係る燃料電池について説明する。図10は、本発明の第五実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ56の部分的な概略図である。図10において、第三実施形態のものと比較すると、アノードガスが流れる機構(切り欠き)61aを備え、マニホールド穴59周辺の非シール部に新たにシール部61bを設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Fifth Embodiment Next, a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a partial enlarged view of the fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention, and is a partial schematic view of the
図10において、セパレータ56の下側の面を集電板17と接触しない面56aとし、上側を集電板17と接触する面56bとする。セパレータ56は、マニホールド穴57、58、59周辺に流体の漏洩を防止するシール61が配置され、セパレータ56は、流体の漏洩を防止するシール62が配置されている。シール61は、マニホールド穴57周辺の一部分には切り欠き61aを設け、アノードガスが矢印Eで示す方向に流れるようにし、セパレータ56と集電板17によって画成される流路と通じるようにした。マニホールド穴59周辺には新たにシール部61bを設けた。マニホールド穴57、58、59とシール61との間には第1の表面層60が形成され、集電板17の表面層は第2の表面層17aとした。第1の表面層60はセパレータ56b面全面に施しても良い。本実施の形態では、セパレータ56と集電板17によって画成される流路(不図示)にアノードガスを供給し、セパレータ56と集電板17との間の腐食を防止した。アノードガスは水素含有ガスとした。シール61、62及びシール部61bは、シリコン、EPDM、フッ素系ゴム等の素材にて形成することができる。
In FIG. 10, the lower surface of the
本発明の第五実施形態では、セパレータ56と集電板17との間に画成される流路にアノードガス流路18に流れるアノードガス(燃料ガス)として使用されているものを利用するため、流路に容易に酸化防止剤を供給することが可能であり、システムの複雑化による大型化、コスト高を抑えることができる。また、酸化防止剤により金属材料の酸化反応を抑止し、セパレータの穴あきを防止することができる。さらに、セパレータ56側が電気化学的に貴となる。したがって、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板17表面の銀がアノード反応(酸化反応)側となり、セパレータ56素材が溶出し、穴あきにいたることを抑止する。なお、流路に供給されるアノードガスは燃料であるアノードガスを分岐することで供給し、その後排出されても良いし、アノードガスの系を循環系とし、再度流路に供給しても構わない。なお、本実施の形態において、セパレータ56はアノードセパレータ又はカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。
In the fifth embodiment of the present invention, the flow path defined between the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although the embodiment of the present invention has been described above, it should not be understood that the description and drawings that constitute part of the disclosure of the embodiment limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
10 燃料電池スタック
11 電解質膜
12 触媒電極
13 ガス拡散層
14 電解質膜電極接合体
15 アノードセパレータ
15a,16a 第1の表面層
16 カソードセパレータ
16a1、16a3、16a5、16a7、16a9 非接触部
16a2、16a4、16a6、16a8 接触部
17 集電板
17a 第2の表面層
17a1、17a3、17a5、17a7、17a9 非接触部
17a2、17a4、17a6、17a8 接触部
18 アノードガス流路
19 カソードガス流路
20 冷媒流路
21 圧縮シール
22 シール材
23 シール支持層
24、25 流路
10
Claims (11)
前記第1の表面層は、前記第2の表面層以上に電気化学的に貴であることを特徴とする燃料電池。 In the fuel cell in which the first surface layer of the separator and the second surface layer of the current collector plate are in contact with each other,
The fuel cell according to claim 1, wherein the first surface layer is electrochemically more noble than the second surface layer.
前記第2の表面層は、銀、銅及び金属窒化物から選択されたいずれかの金属を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池。 The first surface layer includes any metal selected from gold, platinum, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, osmium, silver, copper, and metal nitride,
5. The fuel cell according to claim 1, wherein the second surface layer includes any metal selected from silver, copper, and metal nitride.
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