JP2009224180A - Current collector, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜−電極接合体に接する金属多孔体と金属多孔体に接するリブを有するカーボンバイポーラープレートが一体化されてなる集電体及び燃料電池に係り、詳しくは、金属多孔体に線膨張係数の低い材料が被覆された集電体及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a current collector and a fuel cell in which a metal bipolar body in contact with a membrane-electrode assembly and a carbon bipolar plate having ribs in contact with the metal porous body are integrated. The present invention relates to a current collector and a fuel cell coated with a material having a low expansion coefficient.
燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用発電装置、家庭用発電装置、人工衛星の動力源、宇宙船の動力源として実用化されてきた。近年、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての燃料電池の開発が進んでいる。そして、燃料電池は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子形燃料電池が一般的である。 Since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put to practical use as industrial power generators, home power generators, satellite power sources, and spacecraft power sources. In recent years, development of fuel cells as power sources for vehicles such as passenger cars, buses, trucks and the like has been progressing. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, direct type methanol, etc., but it has a low reaction temperature and is advantageous for miniaturization. A fuel cell is common.
固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質層が2枚のガス拡散電極で挟まれ、一体化されて接合されたMEA(Membrane Electrode Assembly:膜−電極接合体)が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質層を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In a polymer electrolyte fuel cell, an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte layer is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together is used. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Move through layers. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidizing agent is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子形燃料電池は、MEAの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配設した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うMEAへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、MEAとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。 The polymer electrolyte fuel cell has a laminated structure in which a separator for forming a reaction gas supply passage such as hydrogen gas as a fuel gas or an oxidant gas such as oxygen is provided outside the MEA. The separator prevents current gas from passing through the MEAs adjacent to each other in the stacking direction, and collects current to extract the generated current to the outside. In this way, a fuel cell stack is configured by laminating a large number of unit cells composed of MEAs and separators.
従来の燃料電池システムにおいては、単位セルの積層方向に関して温度分布が発生し、電極の温度が上昇してしまうことがある。この場合、電極を通してMEAの外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、MEA内部の湿度が低下するので、各単位セルにおける発電効率が低下してしまう。そこで、電解質層が燃料極と酸素極とで挟持された燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体であって、燃料極に供給されるガスと酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体に当接するセパレータ当接部と、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部と、前記セパレータ当接部及び電極当接部を接続するリブ部とを有し、前記電極当接部は、前記セパレータ当接部及びリブ部の部材よりも開口率の大きな部材から成る集電体が検討された(例えば、特許文献1参照)。
ところで、樹脂と導電性炭素を含み、安価で成形性が高い組成物からバイポーラープレートからなる集電体が検討されてきた(例えば、特許文献2参照)。
By the way, the collector which consists of bipolar plates from the composition which contains resin and electroconductive carbon and is cheap and has high moldability has been examined (for example, refer patent document 2).
しかしながら、特許文献1に記載の発明は、集電体の材料である金属が腐食しないように表面に貴金属を被覆する必要があり、また、特許文献2に記載の発明は、耐食性が高く、加工性に優れるため、両者の特性を生かして、燃料電池の集電体を構成する材料として、両者を一体して採用することが好ましい。しかし、樹脂の膨張係数と金属の膨張係数との差が大きい為に、温度変化による内部応力が発生し易くなる。特に、発電駆動時と停止時との間の温度差の大きい燃料電池の構成部品として用いること、内部応力により金属製の構成部材と樹脂製の構成部材の間に剥離が発生するといった問題が生じる恐れがある。
そこで、本発明は、金属と樹脂を構成材料として有するとともに、温度変化による部材間の歪みが抑制された集電体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該集電体が組み込まれた燃料電池を提供することにある。
However, in the invention described in Patent Document 1, it is necessary to coat the surface with a noble metal so that the metal that is the material of the current collector does not corrode. In addition, the invention described in Patent Document 2 has high corrosion resistance and is processed. Because of their excellent properties, it is preferable to employ both of them as a material constituting the current collector of the fuel cell, taking advantage of both characteristics. However, since the difference between the expansion coefficient of the resin and the expansion coefficient of the metal is large, internal stress due to temperature change is likely to occur. In particular, it is used as a component of a fuel cell having a large temperature difference between when it is driven and stopped, and there is a problem that peeling occurs between a metal component and a resin component due to internal stress. There is a fear.
Then, this invention is providing the collector which has the metal and resin as a constituent material, and the distortion between the members by a temperature change was suppressed. Another object of the present invention is to provide a fuel cell in which the current collector is incorporated.
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
(1)電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体の両側に配設され、前記燃料極に燃料ガス、前記酸素極に酸化ガスを供給するためのガス流路を形成すると共に、前記燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生した電流を取り出す集電体であって、
前記膜−電極接合体に接する金属多孔体と、
熱可塑性樹脂と導電性炭素を含有する熱可塑性樹脂組成物からなり、前記金属多孔体を支持するリブを有するカーボンバイポーラープレートとが、一体化されており、
前記金属多孔体は、前記カーボンバイポーラープレートの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有し、かつ導電性を有する被覆材により被覆されていることを特徴とする集電体。
The above object is achieved by the present invention described below.
(1) An electrolyte layer is disposed on both sides of a membrane-electrode assembly sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and oxidizing gas to the oxygen electrode is formed. And a current collector for taking out a current generated by the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas,
A metal porous body in contact with the membrane-electrode assembly;
It is composed of a thermoplastic resin composition containing a thermoplastic resin and conductive carbon, and a carbon bipolar plate having a rib for supporting the metal porous body is integrated,
The current collector has a linear expansion coefficient smaller than that of the carbon bipolar plate and is coated with a conductive coating material.
(2)前記被覆材は、耐食性を有する導電性材料が混在するダイヤモンドライクカーボンである上記(1)に記載の集電体。 (2) The current collector according to (1), wherein the covering material is diamond-like carbon in which a conductive material having corrosion resistance is mixed.
(3)電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体が集電体を挟んで複数積層された燃料電池において、
前記集電体は、熱可塑性樹脂と導電性炭素を含有する熱可塑性樹脂組成物からなり、ガス流路を形成するリブを有するカーボンバイポーラープレートと、前記カーボンバイポーラープレートのリブに支持され、前記カーボンバイポーラープレートの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する導電性被覆材が被覆され、前記膜−電極接合体の燃料極又は酸化極の一方に接する金属多孔体とが一体化されてなる燃料電池。
(3) In a fuel cell in which a plurality of membrane-electrode assemblies in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked with a current collector sandwiched therebetween,
The current collector is composed of a thermoplastic resin composition containing a thermoplastic resin and conductive carbon, and is supported by a carbon bipolar plate having ribs forming a gas flow path, and ribs of the carbon bipolar plate, A conductive coating material having a linear expansion coefficient smaller than the linear expansion coefficient of the carbon bipolar plate is coated, and the porous metal body in contact with one of the fuel electrode and the oxidation electrode of the membrane-electrode assembly is integrated. A fuel cell.
請求項1に記載の発明によれば、熱可塑性樹脂と導電性炭素を含み、安価で成形性が高い熱可塑性樹脂組成物が成形されたバイポーラープレートと金属多孔体が一体化されているから、高い設計自由度を有している。特に、金属多孔体には、バイポーラープレートよりも線膨張係数が小さい被覆材が被覆されているので、被覆材が被覆された金属多孔体とバイポーラープレートとの間の線膨張係数の差が小さくなり、両者の間での温度変化による内部応力の発生が抑制される。 According to the first aspect of the present invention, the bipolar plate and the porous metal body, which are formed of a thermoplastic resin composition that includes a thermoplastic resin and conductive carbon and is inexpensive and has high moldability, are integrated. , Has a high degree of design freedom. In particular, since the porous metal body is coated with a coating material having a smaller linear expansion coefficient than that of the bipolar plate, there is a difference in the linear expansion coefficient between the porous metal body coated with the coating material and the bipolar plate. It becomes small and generation | occurrence | production of the internal stress by the temperature change between both is suppressed.
請求項2に記載の発明によれば、被覆材をダイヤモンドライクカーボンとすることにより、被覆材が被覆された金属多孔体全体の線膨張係数を、バイポーラープレートの線膨張係数に一層近づけることができる。
請求項3に記載の発明によれば、集電体を構成するバイポーラープレートと金属多孔体との間に生じる内部応力が抑制されるので、その集電体が組み込まれた燃料電池は、金属多孔体とバイポーラープレートとの間の剥離が抑制され、寿命が延びる。
According to the invention described in claim 2, by making the coating material diamond-like carbon, the linear expansion coefficient of the entire porous metal body coated with the coating material can be made closer to the linear expansion coefficient of the bipolar plate. it can.
According to the invention described in claim 3, since internal stress generated between the bipolar plate constituting the current collector and the metal porous body is suppressed, the fuel cell incorporating the current collector is made of metal Separation between the porous body and the bipolar plate is suppressed, and the life is extended.
図1は、本発明の燃料電池システムの1実施形態を示す図である。図1において、20は燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液形(AFC)、リン酸形(PAFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)、固体酸化物形(SOFC)、直接形メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a fuel cell system of the present invention. In FIG. 1, a
更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)形燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを移動する固体高分子電解質層の両側に触媒層、ガス拡散層及び集電体を順に積層したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell using hydrogen gas as a fuel and oxygen or air as an oxidant, or a PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell. Here, the PEM type fuel cell generally includes a plurality of fuel cells in which a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a current collector are sequentially laminated on both sides of a solid polymer electrolyte layer that moves ions such as protons. And a stack connected in series.
図1には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
FIG. 1 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料室に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、水素ガスの圧力を検出する圧力センサとしての水素圧センサ27及び28、供給される水素ガスの圧力を調整する第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、並びに、燃料供給電磁弁26が配設される。
Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first
ここで、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図1に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよい。
Here, the fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and is capable of always supplying a sufficiently high pressure of hydrogen gas. In the example shown in FIG. 1, a plurality of, for example, three fuel storage means 73 are provided, and the first
そして、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30には燃料強制排出装置としての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料室に供給して再利用することができる。
The hydrogen gas discharged from the fuel chamber of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素排気弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時等に燃料室から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
Further, a
ここで、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。また、前記燃料供給電磁弁26及び水素排気弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
Here, the first hydrogen supply
一方、酸化剤としての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ファン75から、酸化剤供給管路76を通って、燃料電池スタック20の酸素室に供給される。なお、酸化剤供給源としては、空気供給ファン75に代えて空気ボンベ、空気タンク等を使用することもできる。また、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室から排出される空気は、排気マニホールド77を通って大気中へ排出される。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an
燃料電池スタック20の酸素極としての空気極側から膜−電極接合体を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給することもできる。この場合、例えば、水を貯留するタンクから供給された水を、酸化剤供給管路76の途中や燃料電池スタック20の酸素室の入口に配設された水供給ノズルを通して、空気中にスプレーすることが望ましい。また、排気マニホールド77の途中等に凝縮器を配設して、酸素室から排出される空気に含まれる水を回収して再利用することが望ましい。
In order to maintain the membrane-electrode assembly in a wet state from the air electrode side as the oxygen electrode of the
ところで、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気は、圧力が大気圧程度の常圧の状態であってもよいし、圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態であってもよいが、本実施の形態においては、加圧された状態であるものとして説明する。すなわち、本実施の形態における燃料電池システムは、いわゆる常圧システムでなく、加圧システムであるものとする。
燃料電池スタック20と熱交換した冷媒が通過する冷媒管路71が、燃料電池スタック20に接続されている。そして、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ72が、冷媒管路71に配設されている。
Incidentally, the air supplied to the oxygen chamber of the
A
燃料電池スタック20の燃料室に供給される水素ガス及び酸素室に供給される空気は、燃料電池スタック20を冷却する機能を有する。従って、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置は、燃料電池スタック20を冷却するための冷却系の1つとして機能する。そして、水素ガス及び空気は、消費されたり外部に排出されたりするものであるから、水素ガス及び空気を供給する装置は開いた冷却系と言える。この場合、水素ガス及び空気は、膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質層、触媒層、ガス拡散層等の部材に接触しながら燃料電池スタック20内を流通して、燃料電池スタック20を冷却する。なお、前述のように、酸素室に供給される空気中に水を供給するようにした場合には、冷却能力が向上する。
燃料電池スタック20には、図示されない電気端子の端子電圧を計測する電圧計78、燃料電池スタック20内を流通する空気又は燃料電池スタック20から排出される空気の温度を検出する排出空気温度計74が取り付けられている。
The hydrogen gas supplied to the fuel chamber of the
The
前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。 The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), which is generally a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, or the like. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
そして、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
The
本実施の形態において、燃料電池システムは、図2に示されるような制御システムを有する。図2において、81は、CPU、MPU等の演算手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、燃料電池システムの動作を制御する制御装置である。該制御装置81には、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段としてのメモリ82が接続されている。また、前記制御装置81には、前記電圧計78、水位センサ52a及び60a、水素圧センサ27及び28、排出空気温度計74、並びに、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガス濃度を検出する水素濃度センサ83が接続され、これら各種のセンサの出力が前記制御装置81に入力される。さらに、該制御装置81には、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、水素排気弁62、空気供給ファン75、並びに、燃料電池システムに故障、事故等が発生した場合に警報を出力する装置としてのアラーム86が接続され、これらの装置は前記制御装置81によって動作が制御される。
In the present embodiment, the fuel cell system has a control system as shown in FIG. In FIG. 2, reference numeral 81 denotes a type of computer that includes an arithmetic means such as a CPU and MPU, an input / output interface, and the like, and is a control device that controls the operation of the fuel cell system. The control device 81 is connected to a
次に、本発明の集電体の実施態様を説明する。図3は、本発明の集電体と膜−電極接合体の積層構成を示している。図4は、図3に示される積層構成の上面図である。固体高分子電解質層11aが酸素極11b及び燃料極11cで挟持され、膜−電極接合体11が形成されている。リブ121を有するカーボンバイポーラープレート12aのリブ121が金属多孔体12bに熱圧着され、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bが一体化されて、集電体12が形成されている。集電体12の金属多孔体側が、膜−電極接合体11の酸素極側及び燃料極側に当接されている。また、図示されていないが、集電体12の内部には、上記した冷媒管路71に通じる冷媒流路が形成されており、リブ121で仕切られた空間が空気流路122又は水素流路123である。図3では、空気流路122中の空気は上下方向に流れ、水素流路123中の水素は、図に対し垂直方向に流れている。図4では、リブで仕切られた空気流路中の空気が、図に対し垂直方向に流れ、図示されない水素流路中の水素は、図の左右方向に流れている。空気流路中の空気及び水素流路中の水素は、金属多孔体12bを通過し、酸素極11b及び燃料極11cに到達する。
Next, embodiments of the current collector of the present invention will be described. FIG. 3 shows a laminated structure of the current collector and the membrane-electrode assembly of the present invention. 4 is a top view of the stacked configuration shown in FIG. The solid
図3及び4では、金属多孔体12bが酸素極11b及び燃料極11cに当接されているが、金属多孔体12bは酸素極、燃料極のいずれか一方のみに当接されていてよい。
金属多孔体12bの具体例は、発泡金属、金属繊維焼結体、金網、エキスパンドメタル、パンチングメタルなどの金属部材に耐食性と導電性を有する被覆材をコーティングして構成される。このような金属部材は、Ti合金にステンレス鋼などの耐食性に優れた金属であることが好ましい。さらに、金属部材には、線膨張係数がカーボンバイポーラープレート12aより小さい被覆材がコーティングされる。
3 and 4, the metal
A specific example of the metal
該被覆材は、集電体としての特性を損なわないように導電性を備え、さらに通電による腐食を抑制するために、耐食性を備える必要がある。このような、被覆材としては、耐食性と導電性を備える材料が混在されたダイヤモンドライクカーボンが挙げられる。このダイヤモンドライクカーボンに混在される材料としては、貴金属、炭素などが挙げられ、本実施形態では、黒鉛が混在される。
カーボンバイポーラープレート12aの線膨張係数に比較して、線膨張係数が十分小さい被覆材を、カーボンバイポーラープレート12aよりも線膨張係数の大きな金属部材にコーティングすることにより、金属多孔体の全体の線膨張係数を、カーボンバイポーラープレート12aの線膨張係数に近づけている。これにより、温度変化によってカーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bとの間に生じる内部応力を減少させることができる。
The covering material needs to have conductivity so as not to impair the properties as a current collector, and further to have corrosion resistance in order to suppress corrosion due to energization. Examples of such a covering material include diamond-like carbon in which materials having corrosion resistance and conductivity are mixed. Examples of the material mixed in the diamond-like carbon include noble metals and carbon. In the present embodiment, graphite is mixed.
By coating a metal member having a linear expansion coefficient sufficiently smaller than that of the carbon
黒鉛とダイヤモンドライクカーボンのナノコンポジット成膜の方法は、公知の方法を用いることができる。例えば、特開2004−217975号公報に掲載されているように、工程1として、金属部材の酸化皮膜除去と電気導電層を形成する。真空容器内にメタンガスプラズマを発生させ、金属部材に負高電圧パルスを印加することで、金属部材表面の酸化皮膜が除去されるとともに、電気導電層を形成する。工程2としてダイヤモンドライクカーボン膜を形成する。つまり、工程1に続いて、分子量の大きい炭化水素ガス(例えば、トルエン)に切り替え、工程1の同様の処理を施し、ダイヤモンドライクカーボンを成膜する。以上の成膜方法の一例であって、他の方法を用いることもできる。 As a method for forming a nanocomposite film of graphite and diamond-like carbon, a known method can be used. For example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-217975, as step 1, an oxide film is removed from the metal member and an electrically conductive layer is formed. By generating methane gas plasma in the vacuum vessel and applying a negative high voltage pulse to the metal member, the oxide film on the surface of the metal member is removed and an electrically conductive layer is formed. In step 2, a diamond-like carbon film is formed. That is, following the step 1, a switch is made to a hydrocarbon gas having a high molecular weight (for example, toluene), the same treatment as in the step 1 is performed, and a diamond-like carbon film is formed. It is an example of the above film-forming method, Comprising: Another method can also be used.
カーボンバイポーラープレート12aは、熱可塑性樹脂と導電性炭素を含有する熱可塑性組成物がモールド成形されて作製される。熱可塑性樹脂の具体例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ABS樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレンである。導電性炭素の具体例は、導電性カーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレン、これらの混合物である。
The carbon
図5は、本発明の集電体の作製フローを示す図である。最初に、熱可塑性樹脂と導電性炭素が混合され、熱可塑性樹脂組成物が作製される。次に、当該熱可塑性樹脂組成物がモールド成形され、カーボンバイポーラープレート12aが作製される。一方、これに平行して、例えばエキスパンドメタル等の金属部材に対して、既述の公知の方法により、黒鉛とダイヤモンドライクカーボンのナノコンポジット成膜が施され、金属多孔体12bが構成される。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing flow of the current collector of the present invention. First, a thermoplastic resin and conductive carbon are mixed to produce a thermoplastic resin composition. Next, the thermoplastic resin composition is molded to produce the carbon
その後、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bが、カーボンバイポーラープレート12aの軟化点以上の温度で熱圧着され、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bが一体化された集電体12が作製される。金属多孔体12b作製時の厚み誤差及びカーボンバイポーラープレート12a作製時の厚み誤差は、熱圧着時に補償される。従って、集電体12の厚み誤差は小さい。従って、ガスシール部のクリアランスを精度よく規定できることから、シールガスケット厚さの許容範囲を広くとることができ、ガスシール性の確保が容易となる。
Thereafter, the carbon
図6a及びbは、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bの嵌合部の結合状態を示している。図6aは、カーボンバイポーラープレート12aと、金網のように曲面凸部を有する金属多孔体12bの嵌合部の結合状態を示している。図6bは、カーボンバイポーラープレート12aと、エキスパンドメタル、パンチングメタルのようにプレス加工により形成された鋸刃状凸部を有する金属多孔体12bの嵌合部の結合状態を示している。熱可塑性のカーボンバイポーラープレート12aのリブ121に形成された凹部は、金属多孔体12bの凸部の形状に沿っている。従って、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bの密着性は高く、これらは1つの部品として扱われる。また、カーボンバイポーラープレート12aと金属多孔体12bとは、ダイヤモンドライクカーボンのコーティングによって、膨張係数値の差を縮めるよう構成されているため、温度変化によって両者の間に生ずる内部応力が抑制され、温度変化による剥離が生じにくい構成となっている。更に、カーボンバイポーラープレート12aのリブ121と金属多孔体12bの嵌合部の接触面積が大きいから、これらの接触抵抗は低い。
6a and 6b show the coupling state of the fitting portion between the carbon
尚、カーボンバイポーラープレート12aよりも、線膨張係数が小さい材料として、タングステン、タンタル、チタンなどの酸化物、炭化物、窒化物が挙げられ、更にセラミックス系材料がある。これらの材料に、導電性を有する材料(例えば、炭素)を付与して、黒鉛とダイヤモンドライクカーボンのナノコンポジット膜に代わる被覆材として使用することもできる。
Examples of materials having a smaller linear expansion coefficient than the carbon
本発明の集電体は、水素燃料固形高分子形燃料電池、直接形メタノール燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池等の燃料電池に組み込まれる。そして、本発明の集電体が組み込まれた燃料電池は、車載用電源、家庭用電源、その他の電源として使用される。 The current collector of the present invention includes a hydrogen fuel solid polymer fuel cell, a direct methanol fuel cell, an alkaline aqueous fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, etc. Built into the fuel cell. The fuel cell in which the current collector of the present invention is incorporated is used as an in-vehicle power source, a household power source, and other power sources.
11a…固体高分子電解質層、11b…空気極、11c…燃料極、12a…カーボンバイポーラープレート、12b…金属多孔体、121…リブ
11a ... Solid polymer electrolyte layer, 11b ... Air electrode, 11c ... Fuel electrode, 12a ... Carbon bipolar plate, 12b ... Metal porous body, 121 ... Rib
Claims (3)
前記膜−電極接合体に接する金属多孔体と、
熱可塑性樹脂と導電性炭素を含有する熱可塑性樹脂組成物からなり、前記金属多孔体を支持するリブを有するカーボンバイポーラープレートとが、一体化されており、
前記金属多孔体は、前記カーボンバイポーラープレートの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有し、かつ導電性を有する被覆材により被覆されていることを特徴とする集電体。 The electrolyte layer is disposed on both sides of the membrane-electrode assembly sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode, and forms a gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and oxidizing gas to the oxygen electrode, A current collector for extracting an electric current generated by a reaction between the fuel gas and the oxidizing gas,
A metal porous body in contact with the membrane-electrode assembly;
It is composed of a thermoplastic resin composition containing a thermoplastic resin and conductive carbon, and a carbon bipolar plate having a rib for supporting the metal porous body is integrated,
The current collector has a linear expansion coefficient smaller than that of the carbon bipolar plate and is coated with a conductive coating material.
前記集電体は、熱可塑性樹脂と導電性炭素を含有する熱可塑性樹脂組成物からなり、ガス流路を形成するリブを有するカーボンバイポーラープレートと、前記カーボンバイポーラープレートのリブに支持され、前記カーボンバイポーラープレートの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する導電性被覆材が被覆され、前記膜−電極接合体の燃料極又は酸化極の一方に接する金属多孔体とが一体化されてなる燃料電池。 In a fuel cell in which a plurality of membrane-electrode assemblies in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked with a current collector interposed therebetween,
The current collector is composed of a thermoplastic resin composition containing a thermoplastic resin and conductive carbon, and is supported by a carbon bipolar plate having ribs forming a gas flow path, and ribs of the carbon bipolar plate, A conductive coating material having a linear expansion coefficient smaller than the linear expansion coefficient of the carbon bipolar plate is coated, and the porous metal body in contact with one of the fuel electrode and the oxidation electrode of the membrane-electrode assembly is integrated. A fuel cell.
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