JP2021026954A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】防錆プレートのうちシール部材が接している部分における腐食を抑制することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本開示の燃料電池モジュールは、燃料電池積層体、防錆プレート、及びターミナルプレートがこの順に積層されており、燃料電池積層体及び防錆プレートは、シール部材によってシールされて、それらの間に冷媒流路が形成されている。防錆プレートのうち冷媒流路に接している領域は、易腐食構造を有しており、易腐食構造は、防錆プレートのうち冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、防錆プレートのうちシール部材と接している領域よりも腐食しやすい構造である。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池モジュールに関する。

固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとを積層したものから構成される。膜電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）及び電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。

セパレータは、発電領域において、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路と、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路と、冷媒を流すための冷媒流路を有する。セパレータは、非発電領域において、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドを有する。

一般的に、上記膜電極接合体とセパレータを重ねて燃料電池セルを構成し、燃料電池セルを積層して燃料電池積層体とし、燃料電池セルの積層方向の両端に、ターミナルプレート、エンドプレート等を配置し、両端のエンドプレートを燃料電池積層体の外側でこの積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート、テンションボルト等）に締結して燃料電池モジュールが構成される。

固体高分子型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオン及び電子（隣の膜電極接合体のアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、又はセル積層体一端のセルのアノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

セパレータが金属製である場合、高電位側（＋側）の数セルの冷媒マニホールドで腐食が発生する場合がある。これは、積層したセルの冷媒マニホールドでは、例えばＳＵＳ系の場合、＋極側でＦｅイオンが溶出し、−極側でＯＨイオンが発生し、Ｆｅ（ＯＨ）_２が生成するためであると推定される。また、腐食の発生量は腐食電流により示されるが、高電位側で腐食が発生すると推定される。腐食が進行すると燃料電池セルのシール信頼性が低下する。また、冷媒の高導電率化により燃料電池モジュール内で電気分解が発生する場合がある。また、反応ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド）においても冷媒マニホールドで発生するのと同じメカニズムで腐食が発生するおそれがある。

この点に関して、特許文献１は、セパレータと、セパレータの表面材よりも腐食しやすい犠牲部分と、を有し、犠牲層はスタック内を流れる冷媒に接するように設けるという技術を開示している。

また、特許文献２は、膜電極接合体とこれを挟持するセパレータとを備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体の両端に、ターミナルが配置されている燃料電池モジュールの、燃料電池積層体の高電位側のセパレータと正極ターミナルとの間に、セパレータよりも貴な材料を表面に有する防錆プレートを配置することを開示している。

また、特許文献３は、膜電極接合体とこれを挟持するセパレータとを備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体の両端に、ターミナルが配置されている燃料電池モジュールにおいて、燃料電池積層体と正極ターミナルとの間に、セパレータの冷却マニホールドと接触する部位にルテニウムメッキが施されている防錆プレートを配置することを開示している。

特開２００７−８７７６６号公報 特開２０１６−９６０３３号公報 特開２０１８−１８１５７１号公報

燃料電池モジュールの内部の部材、例えばターミナルプレートが腐食する場合がある。このような腐食を抑制するために、燃料電池積層体とターミナルプレートとの間に防錆プレートを配置した燃料電池モジュールが知られている。

このような燃料電池モジュールにおいて、防錆プレートは、例えばシール部材によって燃料電池積層体とシールされて、燃料電池モジュール内部を流通する冷却水が外部に漏出しないように構成される。

しかしながら、燃料電池モジュールの使用環境において、防錆プレートにも腐食が生じ得、特に、防錆プレートとシール部材との間において、隙間腐食が進行すると、燃料電池モジュールの密閉性が低下して、冷却水が外部に漏洩する等の問題が生じ得る。

本開示者は、上記の問題に対して、防錆プレートのうちシール部材が接している部分における腐食を抑制することを検討した。

本開示は、防錆プレートのうちシール部材が接している部分における腐食を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
燃料電池積層体、防錆プレート、及びターミナルプレートがこの順に積層されており、
前記燃料電池積層体及び前記防錆プレートは、シール部材によってシールされて、それらの間に冷媒流路が形成されている、
燃料電池モジュールであって、
前記防錆プレートのうち前記冷媒流路に接している領域は、易腐食構造を有しており、
前記易腐食構造は、前記防錆プレートのうち前記冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、前記防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、前記防錆プレートのうち前記シール部材と接している領域よりも腐食しやすい構造である、
燃料電池モジュール。

本開示によれば、防錆プレートの腐食による冷却水の漏出を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することができる。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュール１００の分解斜視図である。 図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュール１００の端部の構造を示す模式図である。 図３は、本開示の実施形態とは異なる燃料電池モジュール１００’の端部の構造を示す模式図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本開示の実施形態に従う燃料電池モジュール１００の防錆プレート２０を示す模式図である。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

本開示の燃料電池モジュールは、燃料電池積層体、防錆プレート、及びターミナルプレートがこの順に積層されており、燃料電池積層体及び防錆プレートは、シール部材によってシールされて、それらの間に冷媒流路が形成されている。防錆部材のうち冷媒流路に接している領域は、易腐食構造を有している。易腐食構造は、防錆プレートのうち冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、防錆プレートのうちシール部材と接している領域よりも腐食しやすい構造である。

本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュール１００の構造を、図１及び図２に示す。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュール１００の分解斜視図である。

図１に示すように、本開示の燃料電池モジュール１００は、燃料電池積層体１０、防錆プレート２０、及びターミナルプレート３１がこの順に積層された構造を有している。また、燃料電池積層体１０の、ターミナルプレート３１が積層されていない側の端部には、もう一つのターミナルプレート３２が積層されている。

ここで、燃料電池積層体１０は、複数の燃料電池セル１が積層された構造を有している。この複数の燃料電池セル１の積層方向と、燃料電池積層体１０、防錆プレート２０、及びターミナルプレート３１の積層方向は一致している。

また、燃料電池セル１は、個々の燃料電池セル間を流通し、燃料電池セルを冷却するための冷媒、例えば冷却水を流通させるための冷媒マニホールド１ａを有している。また、燃料電池セル１は、内部にカソードガス及びアノードガスを流通させるためのカソードマニホールド１ｂ及びアノードマニホールド１ｃを更に有している。

燃料電池積層体１０及び防錆プレート２０は、シール部材４０によってシールされており、それによって、それらの間に第１の冷媒流路が形成されている。より具体的には、第１の冷媒流路は、燃料電池積層体１０、防錆プレート２０、及びシール部材の連通口４０ａによって囲まれて形成されている。

なお、図１には記載していないが、燃料電池モジュール１００は、ターミナルプレート３１及び３２の外側に、更にインシュレータ及びエンドプレートがこの順に積層されており、かつ結束部材によって積層方向に拘束圧が加えられている構成を有している。

図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池モジュール１００の端部の構造を示す模式図である。

図２に示すように、燃料電池モジュール１００において、燃料電池積層体１０及び防錆プレート２０は、シール部材４０によってシールされて、それらの間に第１の冷媒流路５０が形成されている。この第１の冷媒流路５０は、防錆プレート２０、シール部材４０、及び燃料電池セル１のセパレータによって囲まれている。

また、燃料電池積層体１０は、内部を通り、第１の冷媒流路５０と連通している第２の冷媒流路６０を有している。第２の冷媒流路６０は、燃料電池セル１の冷媒マニホールド１ａ、及び隣り合う燃料電池セル１同士の間の空間、すなわち隣り合う燃料電池セル１のセパレータの間の空間によって形成されている。

また、防錆プレート２０のうち第１の冷媒流路５０に接している領域は、防錆プレート２０のうちシール部材４０と接している領域２０ｂよりも腐食しやすい易腐食構造２０ａ、より具体的には凸形状を有している。この凸形状の部分は、防錆プレート２０のうち冷媒流路５０に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、防錆プレート２０の他の部分よりも大きく、それによって、防錆プレート２０のうちシール部材４０と接している領域２０ｂよりも腐食しやすくなっている。

原理によって限定されるものではないが、本開示の燃料電池モジュールにおいて、防錆プレートのうちシール部材が接している部分における腐食を抑制することができる原理は、以下のとおりである。

燃料電池モジュールの内部の部材、例えばターミナルプレートや燃料電池セルのセパレータ等の腐食を抑制するために、ターミナルプレートとセパレータとの間に防錆プレートを配置する構成を採用することが考えられる。このような構成において、ターミナルプレートとセパレータとは、シール部材によってシールされて、それらの間に第１の冷媒流路が形成される。

しかしながら、このような構成を採用した場合、防錆プレートとシール部材とが接している領域、例えば防錆プレートとセパレータがシールされている領域において隙間腐食が生じやすい。そのため、燃料電池モジュールを長期間使用した場合に、防錆プレートとシール部材とが接している領域において防錆プレートが溶出して燃料電池モジュールに穴が開き、冷却水が漏出し得る。

図３を用いてより具体的に説明する。

図３は、本開示の実施形態とは異なる燃料電池モジュール１００’の端部の構造を示す模式図である。

図３に示すように、燃料電池モジュール１００’は、本開示の実施形態とは異なり、防錆プレート２０のうち第１の冷媒流路５０に接している領域に、防錆プレート２０のうちシール部材４０と接している領域２０ｂよりも腐食しやすい易腐食構造２０ａを有していない。そのため、防錆プレート２０のうちシール部材４０と接している領域２０ｂにおいて隙間腐食が生じやすい。

図３では、防錆プレート２０のうちシール部材４０と接している領域２０ｂにおいて腐食が進行し、当該部分において防錆プレート２０が溶出して穴が形成されている。

これに対して、本開示の燃料電池モジュールは、防錆プレートのうち第１の冷媒流路に接している領域において、防錆プレートのうち冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、防錆プレートのうちシール部材と接している領域よりも腐食しやすい、易腐食構造を有している。これによって、防錆プレートにおいて腐食が生じやすい部分を、防錆プレートのうちシール部材と接している領域以外の部分に移すことにより、防錆プレートのうちシール部材と接している領域における隙間腐食を抑制している。

より具体的には、図２では、防錆プレートのうち第１の冷媒流路に接している領域に凸形状を有しており、凸形状を有する部分は他の部分と比較して表面積が大きくなるため、当該部分において優先的に腐食が生じ、これによって、防錆プレートのうちシール部材と接している領域の腐食が抑制される。

《防錆プレート》
防錆プレートは、ターミナルプレートの腐食を抑制するための部材である。

防錆プレートのうち冷媒流路に接している領域は、防錆プレートのうちシール部材と接している領域よりも腐食しやすい易腐食構造を有している。

防錆プレートの材料は、金属又は金属を含むカーボンであってよい。防錆プレートとして、犠牲部材を用いた場合、ターミナルプレートの腐食のみでなく、燃料電池セルのセパレータの腐食も抑制することができる。また、防錆プレートとして材料と形状を燃料電池セルのセパレータと同じものとした場合、製造コストを低減することができる。

〈易腐食構造〉
易腐食構造は、防錆プレートのうち冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、防錆プレートの他の部分、特にシール部材と接している領域よりも腐食しやすい構造である。このような構造は、防錆プレートの表面形状であってよく、より具体的には凸形状、凹形状、粗面形状、又は段差形状等であってよい。

図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本開示の実施形態に従う燃料電池モジュール１００の防錆プレート２０を示す模式図である。

防錆プレート２０における易腐食構造として、図４（ａ）には凸形状２２ａ１が、図４（ｂ）には凹形状２２ａ２が、図４（ｃ）には粗面形状２２ａ３が、及び図４（ｄ）には段差形状２２ａ４が、それぞれ示されている。これらの形状は、防錆プレート２０の他の部分よりも表面積が大きくなっており、燃料電池の使用時において腐食が生じやすい。

《冷媒流路》
本開示の燃料電池モジュールでは、燃料電池積層体及び防錆プレートが、シール部材によってシールされて、それらの間に冷媒流路が形成されている。当該冷媒流路は、燃料電池モジュールの内部を冷却するための冷媒、例えば冷却水が流通する流路である。当該流路は、燃料電池積層体の内部に形成されている別個の冷媒流路と連通することができる任意の構造を有していることができる。

《燃料電池積層体》
燃料電池積層体は、一つ又は複数の燃料電池セルが互いに積層された構造を有している。燃料電池セルの積層方向は、燃料電池セル内の各層の積層方向と同じであってよい。

〈燃料電池セル〉
燃料電池セルは、膜電極接合体の両面に一対のガス拡散層が配置され、更にその両面に一対のセパレータが積層された構造を有している。

〈セパレータ〉
セパレータは、ガス拡散層と対向する面に、複数の溝を有していることができ、当該溝によってアノードガス流路又はカソードガス流路が形成されていてよい。溝の形状は、アノードガス又はカソードガスをガス拡散層に供給することができる任意の形状であってよく、例えば、サーペンタイン型の溝であってよい。

また、セパレータは、アノードガスマニホールド、冷媒マニホールド、及びカソードガスマニホールド用の貫通口を有していることができる。

セパレータの材料としては、燃料電池セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板等を挙げることができる。

〈ガス拡散層〉
ガス拡散層は、膜電極接合体の両面に配置されている。

ガス拡散層としては、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を挙げることができる。ガス拡散層の材料は、燃料電池用触媒のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層に用いることができる任意の材料であってよい。このような材料としては、例えば、導電性を有する多孔体を挙げることができる。このような多孔体としては、より具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、及びガラス状カーボンのようなカーボン多孔体、又は金属メッシュ及び発泡金属のような金属多孔体を挙げることができる。

〈膜電極接合体〉
膜電極接合体は、電解質層、及び電解質層の両側面上に積層されている電極触媒層を有している。

（電解質層）
電解質層の材料としては、燃料電池単位セルの電解質層に用いることができる任意の材料を用いることができる。このような材料としては、例えばフッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜、より具体的には、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜等を挙げることができる。

（電極触媒層）
電極触媒層としては、アノード触媒層及びカソード触媒層を挙げることができる。アノード触媒層及びカソード触媒層は、触媒金属が担体に担持されている触媒の層であってよい。

触媒金属としては、燃料電池用触媒に用いられる任意の触媒金属であってよい。このような触媒金属としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金等を挙げることができる。

担体としては、燃料電池用触媒に用いられる任意の担体であってよい。このような単体としては、例えば炭素担体、より具体的には、グラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、又は人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。

《ターミナルプレート》
ターミナルプレートは、燃料電池積層体と電気的に接続されており、燃料電池モジュールにおける集電体として機能する部材である。

集電体としての機能の観点から、ターミナルプレートの材料は、導電率が大きい材料、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、若しくはチタン等の金属、又はカーボン等であってよい。なお、正極側のターミナルプレートと負極側のターミナルプレートの材料は同じであっても異なっていてもよい。

《シール部材》
シール部材は、防錆プレートと燃料電池積層体とをシールすること、より具体的には防錆プレートと燃料電池積層体を構成する燃料電池セルのセパレータとをシールすることができる任意の材料を用いることができる。

このような部材としては、例えば樹脂、より具体的には熱可塑性樹脂、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、又はポリ塩化ビニル等を挙げることができるが、これらに限定されない。

シール部材は、例えば冷媒マニホールド付近において連通口を有していることができ、それによって、防錆プレート、燃料電池積層体及び当該連通口に囲まれた冷媒流路を形成してもよい。

１ 燃料電池セル
１ａ 冷媒マニホールド
１０ 燃料電池積層体
２０ 防錆プレート
２０ａ 易腐食構造
３１及び３２ ターミナルプレート
４０ シール部材
５０ 第１の冷媒流路
６０ 第２の冷媒流路
１００及び１００’ 燃料電池モジュール

Claims (1)

1. 燃料電池積層体、防錆プレート、及びターミナルプレートがこの順に積層されており、
   前記燃料電池積層体及び前記防錆プレートは、シール部材によってシールされて、それらの間に冷媒流路が形成されている、
   燃料電池モジュールであって、
   前記防錆プレートのうち前記冷媒流路に接している領域は、易腐食構造を有しており、
   前記易腐食構造は、前記防錆プレートのうち前記冷媒流路に接している面の垂直方向からの投影面積に対する表面積の大きさが、前記防錆プレートの他の部分よりも大きく、それによって、前記防錆プレートのうち前記シール部材と接している領域よりも腐食しやすい構造である、
   燃料電池モジュール。

Images