JP3891069B2

JP3891069B2 - 燃料電池のセパレータ

Info

Publication number: JP3891069B2
Application number: JP2002233621A
Authority: JP
Inventors: 晃青砥
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: US7459228B2; JP2004079193A; DE10336510A1; DE10336510B4; CA2436562A1; CA2436562C; US20040028969A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低温型燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池、のセパレータに関し、セパレータの金属板の表面処理構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、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）およ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。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、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が形成され、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が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）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および電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガイドをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開平１１−３３９８２８号は、燃料電池のセル電圧モニタを開示している。また、特開２００１−２８３８８０は、メタルセパレータのガス流路部の耐食性向上のために、メタルセパレータ全体にカーボンコートを施すことを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術には、つぎの問題がある。
メタルセパレータの、セル電圧モニタ端子接触部にカーボンコートが施されていると、メタルセパレータの、端子接触部の接触抵抗が安定しなくなり、セル電圧検出精度が低下する。また、カーボンコートを施さないと、ガス流路部の腐食の進行が早くなる。したがって、端子接触部の接触抵抗の安定と、ガス流路部の耐食性とを両立させることが困難である。
本発明の目的は、ガス流路部の耐食性を低下させることなく、端子接触部の接触抵抗を安定させることができる、燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）金属板を有し、該金属板はガス流路部とガス流路部外にセル電圧モニター端子との接触部を有する燃料電池のセパレータであって、
前記ガス流路部では、前記金属板に金属メッキが施されるとともに該金属メッキの上にカーボンコートが施されており、
前記ガス流路部外の前記セル電圧モニター端子との接触部では、カーボンコート時に前記セル電圧モニター端子との接触部をマスキングすることにより、前記金属板に前記金属メッキが施されたままとされている燃料電池のセパレータ。
（２）前記金属板はステンレス板であり、前記金属メッキは金メッキである（１）記載の燃料電池のセパレータ。
（３）前記ガス流路部は周囲をシール材でシールされており、該シール材の内縁より外が前記ガス流路部外である（１）記載の燃料電池のセパレータ。
【０００５】
上記（１）〜（３）の燃料電池のセパレータでは、ガス流路部では、金属メッキが施されるとともに該金属メッキの上にカーボンコートが施されており、ガス流路部外のセル電圧モニター端子との接触部では、カーボンコート時に前記セル電圧モニター端子との接触部をマスキングすることにより、金属板に金属メッキが施されたままとされているので、ガス流路部には耐食性のある表面処理を施し、セル電圧モニター端子接触部には接触抵抗を少なくし、かつ、安定化させる表面処理を施すことにより、ガス流路部の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部の接触抵抗の安定と、ガス流路部の耐食性とを容易に両立させることができる。
ガス流路部の表面処理はカーボンコートを含み、セル電圧モニター端子との接触部の表面処理は金属メッキのままでカーボンコートを含まないようにしたので、ガス流路部の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部の接触抵抗の安定と、ガス流路部の耐食性とを容易に両立させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のセパレータを図１〜図８を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７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２８が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
セパレータ１８は、金属板２９と樹脂フレーム３０とを有する合成セパレータである。
図３に示すように、金属板２９はセル面内中央部にガス流路部４０とガス流路部外の部分４１とを有し、ガス流路部４０にガス流路２７、２８が形成される。ガス流路部４０では金属板２９は一面で燃料ガスと酸化ガスの何れか一方に触れ、他面で冷却水または燃料ガスと酸化ガスの他方に触れる。ガス流路部４０は周囲で接着剤、シール材でシールされ、シール部内縁より外がガス流路部外の部分４１で、ガス流路部外の部分４１ではガスマニホールド部を除き金属板２９は燃料ガス、酸化ガスに接触しない。樹脂フレーム４０はセル面内のセル外周部に設けられる。
【０００９】
プラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間にＭＥＡが挟まれ、セル面内中央部では金属板２９のＭＥＡ側にガス流路２７、２８が形成され、周囲部ではプラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間に電解質膜１１が挟まれる。金属板２９同士の間、樹脂フレーム３０と金属板２９との間、金属板２９と電解質膜１１との間は、シール材を兼ねる接着剤にてシールされる。
電解質膜１１を挟んで対峙するプラス側の金属板とマイナス側の金属板との間には電位差があり、その電位差は約１ボルトである。１つのセル１９のプラス側の金属板２９と、隣りのセル１９のマイナス側の金属板２９とはセル面内中央部で接触していて、電位差はない。
【００１０】
複数のセル電圧モニター３１が燃料電池スタック２３に取付けられている。
各セル電圧モニター３１は、燃料電池スタックへの固定部３５を有する１つのハウジング３３と、そのハウジング３３で保持された１つ以上の端子３２を含む。端子３２は導電性で金属製（金属メッキのものを含む）であり、ハウジング３３は非導電性でたとえば樹脂製である。
各セル電圧モニター３１の１つ以上の端子３２は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３内で、端子３２同士互いに並列に、かつ、燃料電池スタック２３のセル積層方向に列状に、配置されている。
また、各セル電圧モニター３１に１つづつ設けられた複数のハウジング３３は燃料電池スタック２３の側面（四側の側面の一つの側面）に配置されている。
セル電圧モニター３１の極数は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３に保持される端子３２の数と等しい。たとえば、図４は、極数が２のセル電圧モニター３１と極数が８のセル電圧モニター３１との２種類のセル電圧モニター３１がスタック２３に取り付けられた場合を示している。
【００１１】
各セル電圧モニター３１の各端子３２は、セル１９の同極（プラスならプラス、マイナスならマイナス）の金属板２９に接触されてそのセル１９の電位を検出する。たとえば、一つの端子３２が一つのセル１９のプラス極の金属板２９に接触されると、隣りの端子３２は隣りのセル１９のプラス極の金属板２９に接触される。そのため、隣接する端子３２間には少なくとも１セルの厚さ分のピッチ間隔があり、各ハウジング３３において、端子３２同士の干渉を生じることなく、複数の端子３２をセル積層方向に並べて配置することができる。そして、隣接する端子３２間にはハウジング３３の仕切板３３ｊが位置していて、端子３２同士が接触して短絡することを防止している。
【００１２】
図１に示すように、セル電圧モニター３１の端子３２の金属板２９とのコンタクト部３４は、金属板２９部位に設けられており、セル電圧モニター３１のハウジング３３の燃料電池への固定部３５は、樹脂フレーム３０部位に設けられている。
コンタクト部３４と固定部３５とは離れている。
【００１３】
セパレータ１８の金属板２９には、ガス流路部外の部分４１に、セル電圧モニター３１の端子３２との接触部４２が形成される。コンタクト部３４は端子３２に設けられ接触部４２は金属板２９に設けられ、両者が接触する。
セパレータ１８の金属板２９には、ガス流路部４０とセル電圧モニター端子との接触部４２とで異なる表面処理が施されている。
ガス流路部４０の表面処理はカーボンコートを含み、セル電圧モニター端子との接触部４２の表面処理はカーボンコートを含まない。
【００１４】
金属板２９はたとえばステンレス板で、その表面に導電性の金属メッキ、たとえば金メッキ、が施されている。そして、メッキにピンホールがある場合にはそこからステンレス板の腐食が進行するおそれがあるので、腐食の進行が予想されるガス流路部４０においては、ガスと接触する側の面に、耐食性を向上させるためにメッキの上からカーボンコートを施し、ピンホールをカーボン粉末または粒子で埋めるようにする。ガス流路部であっても冷却水に接触する側の面は、酸素がないのでメッキのままで、カーボンコートは施されない。また、ガス流路部であっても燃料ガスである水素に触れる場合は水素接触面にはカーボンコートは施さなくてもよい（ただし、施してもよい）。
【００１５】
また、ガス流路部外の部分４１にもカーボンコートを施すと、とくにセル電圧モニター３１の端子３２との接触部４２にもカーボンコートを施すと、セル電圧モニター３１の端子３２との接触部４２では接触電気抵抗が安定しなくなるか、または安定しなくなるおそれがあるので、ガス流路部外の部分４１には、とくにセル電圧モニター端子との接触部４２には、カーボンコートを施さないようにする（ただし、ガス流路部外の部分４１であっても、セル電圧モニター端子との接触部４２以外の部分には、カーボンコートを施してもよい）。したがって、セル電圧モニター３１の端子３２は、ステンレス板に直接、または導電性の金属メッキ、たとえば金メッキ、が施されている場合は導電性の金属メッキ、たとえば金メッキ、に直接、接触する。カーボンコートを施さない面は、カーボンコーティング時にマスキングすることにより、容易にマスキングした部位だけカーボンコートが形成されないようにすることができる。
【００１６】
セル電圧モニター３１は、燃料電池スタック２３へ、つぎのように取付けられる。
図４〜図８に示すように、スタック２３のうちセル電圧モニター３１が取付けられる部位には、樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂが形成されている。第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂとは離れた位置に形成されており互いに平行である。プラス極の金属板２９とマイナス極の金属板２９とのうち何れか一方の金属板２９に端子３１が接触される。端子３１が接触される方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａのみと位置、形状を対応させて狭幅の溝２９ａが形成されており、端子３１が接触されない方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂの両方にわたる広幅の溝２９ｂが形成されている。
【００１７】
端子３２は、導線３６に接続されている。端子３２は、側面視でＬ字状のＬ字状部材からなり、Ｌ字の第１の脚３２ａと、Ｌ字の第２の脚３２ｂと、Ｌ字の折れ曲がり部３２ｃとを有する。端子３２は、第１の脚３２ａでかしめによって導線３６に連結される。端子３２の第２の脚３２ｂは折れ曲がり部３２ｃと反対側の端部に一対のアーム３２ｄを有し、一対のアーム３２ｄ間にセパレータの金属板２９を挟んで金属板２９と接触し、金属板２９とのコンタクト部（電気的接触部）３４を構成している。
【００１８】
ハウジング３３は、側面視でＦ字状のＦ字状部材からなり、Ｆ字の柱３３ａと、柱３３ａの先端３３ｄから柱３３ａと直交方向に延びる第１の脚３３ｂと、柱３３ａの中間部３３ｅから柱３３ａと直交方向に延びる第２の脚３３ｃとを有する。
セル電圧モニター３１がスタック２３に取付けられた時には、ハウジング３３の第１の脚３３ｂは樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと金属板２９の溝２９ａに突入し、ハウジング３３の第２の脚３３ｃは樹脂フレーム３０に第２の溝３０ｂと金属板２９の溝２９ｂに突入する。
【００１９】
ハウジング３３の柱３３ａの、先端３３ｄと反対側の端部３３ｆから中間部３３ｅまでの間の部分、および第２の脚３３ｃとは、端子３２を保持する端子保持部３３ｇを構成する。端子３２を端子保持部３３ｇに挿入後ハウジング３３の蓋３３ｈを閉じて端子３２が端子保持部３３ｇから抜け出ないようにする。
また、ハウジング３３の第１の脚３３ｂには、第２の脚３３ｃに対向する側と反対側の面に該面から突出する爪３３ｉが形成されている。爪３３ｉは、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、爪対応部に形成された爪係合凹部３０ｃに入り、爪係合凹部３０ｃと係合し、爪３３ｉと爪係合凹部３０ｃはセル電圧モニター３１の燃料電池に固定する固定部３５を構成している。
金属板２９の溝２９ａ、２９ｂの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部よりも、第１の脚３３ｂから離れていて爪３３ｉと当たらず、爪３３ｉが爪係合凹部３０ｃに入ることを阻害しない。
【００２０】
端子３２には、一対のアーム３２ｄと折れ曲がり部３２ｃとの間に、スリット３７が形成されていて、第１の脚３２ａが一対のアーム３２ｄに対してセル積層方向に若干首振りすることができるようになっている。これによって、セルの厚さ方向の寸法に誤差があっても、それを吸収して端子３２を取付けることができるようにしてある。このスリット３７があっても、セル数が多くなると寸法誤差が積算されて大きな誤差となってその誤差を吸収できなくなるので、１つのハウジング３３に保持される端子３２の数は約１０以下とすることが望ましい。
【００２１】
また、図４に示すように、ハウジング３３は、スタック２３のセル積層方向に左右互い違いに配置されて、千鳥配置となっている。燃料電池スタック２３の各セルには、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニター３１を取り付けるためのセル電圧モニター取付け部が設けられている。各セル電圧モニター取付け部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａ、第２の溝３０ｂ、爪係合凹部３０ｃ、金属板２９の２つの溝２９ａ、２９ｂを含む。セルには、千鳥配置の左列か右列かのハウジング３３が取付けられ固定されるが、ハウジング３３が取付けられる方の列に対応する部位にはセル電圧モニター取付け部が形成されことは勿論であるが、ハウジングが取付けられない方の列に対応する部位にも、セル電圧モニター取付け部が形成されている。これによって、左右列２つのセル電圧モニター取付け部がいずれのセルにも形成され、いずれのセルも、２つのセル電圧モニター取付け部が形成された構造をとる。その結果、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、従来のように左列の端子が取付けられるセルと右列の端子が取付けられるセルとの構造を変えて２種類のセルを用意する必要がなくなる。
【００２２】
つぎに、本発明の燃料電池のセパレータの作用を説明する。
まず、セパレータ１８の金属板２９の表面処理を、ガス流路部４０とセル電圧モニター端子接触部４２とで変えたので、ガス流路部４０には耐食性のある表面処理を施し、セル電圧モニター端子接触部４２には接触抵抗を少なくし、かつ、安定化させる表面処理を施すことにより、ガス流路部４０の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部４２の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部４２の接触抵抗の安定と、ガス流路部４０の耐食性とを容易に両立させることができる。
【００２３】
具体的には、セパレータ１８の金属板２９のガス流路部４０の表面処理はカーボンコートを含み、セパレータ１８の金属板２９のセル電圧モニター端子との接触部４２の表面処理はカーボンコートを含まないようにしたので、ガス流路部４０の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部４２の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部４２の接触抵抗の安定と、ガス流路部４０の耐食性とを容易に両立させることができる。
セパレータ１８の金属板２９は、たとえばステンレス板のガス流路部表面に金メッキしたものからなるが、ガス流路部４０は、とくに酸化ガス流路２８が形成されているガス流路部４０は、生成水と酸素に触れるので、酸化しやすい環境にあり、もしも金メッキにピンホールがあると、ステンレス素地の腐食が進行しやすいので、カーボンコートを施してメッキ層のピンホールを埋め、耐食性を向上させる。しかし、カーボンコートを施すと表面の凹凸等により、金属板２９の端子接触部４２の接触抵抗が安定しにくくなり、検出電位の精度が低下する。本発明では、金属板２９の端子接触部４２はカーボンコートを施さず、導電性金属メッキ、とくに金メッキのままとしたので、端子接触部４２の接触抵抗が安定し、検出電位の精度が向上する。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池のセパレータによれば、ガス流路部では、金属板に金属メッキが施されるとともに該金属メッキの上にカーボンコートが施されており、ガス流路部外のセル電圧モニター端子との接触部では、カーボンコート時に前記セル電圧モニター端子との接触部をマスキングすることにより、金属板に金属メッキが施されたままとされているので、ガス流路部には耐食性のある表面処理を施し、セル電圧モニター端子接触部には接触抵抗を少なくし、かつ、安定化させる表面処理を施すことにより、ガス流路部の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部の接触抵抗の安定と、ガス流路部の耐食性とを容易に両立させることができる。
ガス流路部の表面処理はカーボンコートを含み、セル電圧モニター端子との接触部の表面処理は金属メッキのままでカーボンコートを含まないようにしたので、ガス流路部の耐食性を良好に維持しながら、端子接触部の接触抵抗を安定させることができる。その結果、端子接触部の接触抵抗の安定と、ガス流路部の耐食性とを容易に両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池スタックの、セル積層方向と直交する方向から見た、側面図である。
【図２】燃料電池スタックの単セルの一部分の断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図４】本発明の燃料電池のセパレータが組み付けられたスタックへのセル電圧モニター取付け構造の斜視図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線で切断して見た断面図である。
【図６】図４のセル電圧モニター取付け構造の側面図である。
【図７】図６のうちセル電圧モニターの、図６におけるＡ方向視図である。
【図８】図６のうちセル電圧モニターの、端子のみの斜視図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２、１５触媒層
１３、１６拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セル
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９金属板
２９ａ、２９ｂ溝
３０樹脂フレーム
３０ａ第１の溝
３０ｂ第２の溝
３０ｃ爪係合凹部
３１セル電圧モニター
３２端子
３２ａ第１の脚
３２ｂ第２の脚
３２ｃ折れ曲がり部
３２ｄ一対のアーム
３３ハウジング
３３ａ柱
３３ｂ第１の脚
３３ｃ第２の脚
３３ｄ先端
３３ｅ中間部
３３ｆ反対側端部
３３ｇ端子保持部
３３ｈ蓋
３３ｉ爪
３３ｊ仕切板
３４コンタクト部
３５抜け止め部
３６導線
３７スリット
４０ガス流路部４０
４１ガス流路部外の部分
４２セル電圧モニター端子との接触部

Claims

金属板を有し、該金属板はガス流路部とガス流路部外にセル電圧モニター端子との接触部を有する燃料電池のセパレータであって、
前記ガス流路部では、前記金属板に金属メッキが施されるとともに該金属メッキの上にカーボンコートが施されており、
前記ガス流路部外の前記セル電圧モニター端子との接触部では、カーボンコート時に前記セル電圧モニター端子との接触部をマスキングすることにより、前記金属板に前記金属メッキが施されたままとされている燃料電池のセパレータ。
前記金属板はステンレス板であり、前記金属メッキは金メッキである請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
前記ガス流路部は周囲をシール材でシールされており、該シール材の内縁より外が前記ガス流路部外である請求項１記載の燃料電池のセパレータ。