JP5205816B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関するものである。

従来、燃料電池においては積層された単位セルにて発電される電気を、積層端に位置する単位セルに当接して集電する板状の集電極を備えるものが特許文献１に開示されている。そして特許文献１では、集電極の周囲の所定箇所に、集電極にて集電された電気を外部に送電するケーブルが接続される集電端子を設けている。さらに、集電端子が設けられた箇所以外の箇所となる集電極に、燃料電池自体の発電の際に出入される液体あるいは反応ガスなどの出入口となるマニホールド部を、集電極を貫通して形成している。

反応ガスと集電極とが接触すると集電極が腐食し、集電極から金属イオンが溶出する可能性があり、この金属イオンの溶出により、単位セルの電解質膜が被毒され、燃料電池の発電性能が低下する恐れがある。

これを防ぐために特許文献１では、マニホールド部周囲を耐腐食性の高い部材にて形成し、集電板の腐食を抑制し、集電板の腐食によって発生する金属イオンの溶出を抑制している。
特開２０００−１３０６６号公報

しかし、従来の燃料電池では、部品点数が増加し、組立工順も増え、コストが増加する。また、集電板の腐食を抑制するために一般に用いられる耐腐食性の高い貴金属材料を使用することや特殊な表面処理を行うことは、コスト増加に繋がる。

そこで、本発明では、コストを低減しつつ、集電極から金属イオンが溶出することを防止し、セル内に金属イオンが流入することを防止することを目的とする。

本発明は、反応ガスによる電気化学反応によって発電する単位セルを積層して構成するスタックと、単位セルに反応ガスを供給し、単位セルを積層して形成されるスタックの側面側に設けた反応ガス供給マニホールドと、発電に使用されなかった反応ガスを排出し、単位セルを積層して形成されるスタックの側面側に設けた反応ガス排出マニホールドと、単位セルを積層する方向におけるスタックの端部に位置するセパレータに当接し、単位セルによって発電した電気を集電し、反応ガス供給マニホールドと反応ガス排出マニホールドよりも内側に設けた集電部と、集電部から反応ガス排出マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドと接することなく外部へ向けて延設する端子部と、から構成する集電板と、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを有し、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドよりも内側で集電板を内設する凹部を有する絶縁板と、単位セルに冷却水を供給する冷却水供給マニホールドと、単位セルを冷却した冷却水を単位セルから排出する冷却水排出マニホールドと、を備え、絶縁板は、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを有する面がセパレータと向かい合い、凹部の深さは、集電板の板厚よりも浅く、集電板は、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを有さず、冷却水供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールドを有する。

本発明によると、集電板の集電部を反応ガス供給マニホールドと反応ガス排出マニホールドよりも内側に設けることで、集電板と反応ガスとの接触を防ぐことができ、集電板の腐食を防止するためのその他の部材などを用いずに、集電板の腐食を抑制でき、集電板から溶出した金属イオンが燃料電池セル内部に進入するのを防ぐことができ、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができ、さらに燃料電池のコストを削減することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池について、図１、図２を用いて説明する。図１は、この実施形態の燃料電池の概略分解図である。図２は燃料電池の一部断面を示す概略断面図である。

燃料電池は、単位セル１を複数積層して構成するスタック２と、単位セル１を積層する方向においてスタック２の外側からスタック２を挟む一対の集電板３、４と、さらにその外側に設けた一対の絶縁板５、６と、一対のエンドプレート７、８と、を備える。なお、詳しくは図示しないが、燃料電池はエンドプレート７、８のさらに外側からスタック２などを固定する積層荷重保持部材と、単位セル１の圧縮荷重を調整するバネなどの荷重調整装置と、を備える。また、図１においては、スタック２を構成する単位セル１を２つ図示するが、これに限られることはなく、例えば１００〜２００枚程度の複数の単位セル１を積層してスタック２を構成する。

また、エンドプレート７と絶縁板５と単位セル１とには、単位セル１へ燃料ガスとして水素（反応ガス）を供給する水素供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）３０と、単位セル１で発電に使用されなかった水素を燃料電池から排出する水素排出マニホールド（反応ガス排出マニホールド）３１と、単位セル１へ酸化剤ガスとして空気（反応ガス）を供給する空気供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）３２と、単位セル１で発電に使用されなかった空気を燃料電池から排出する空気排出マニホールド（反応ガス排出マニホールド）３３と、を設ける。また、燃料電池を冷却する冷却水を供給する冷却水供給マニホールド３４と、単位セル１と熱交換を行った冷却水を燃料電池から排出する冷却水排出マニホールド３５と、を設ける。これらのマニホールドは、エンドプレート７、絶縁板５、単位セル１において、単位セル１の積層方向と直交する方向における端部側に設けられ、エンドプレート７、絶縁板５、単位セル１を、単位セル１の積層方向に貫通する。つまり、積層して形成されるスタック２の側面側を単位セル１の積層方向に貫通して設けられる。

単位セル１は、電解質膜−電極接合体（以下、ＭＥＡとする）１０と、ＭＥＡ１０を外側から挟む一対の導電性セパレータ（以下、セパレータとする）１１、１２と、を備える。単位セル１は、水素供給マニホールド３０から供給される水素と、空気供給マニホールド３２から供給される空気と、によって発電を行う。

ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜２０と、固体高分子電解質膜２０の両主面の一部に設けた一対の電極２１と、を備える。電極２１は、例えばカーボンペーパなどのガス拡散層に白金などの触媒を担持させて構成され、触媒を担持する面と固体高分子電解質膜２０とが向かい合うように配置される。

セパレータ１１は、例えばＳＵＳを用いた金属セパレータであり、ＭＥＡ１０と向かい合う面の一部に、水素供給マニホールド３０と水素排出マニホールド３１と連通する水素流路（図示せず）を備える。また、水素流路の背面には、冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドと連通する冷却水流路（図示せず）を備える。

セパレータ１２は、例えばＳＵＳを用いた金属セパレータであり、ＭＥＡ１０と向かい合う面の一部に、空気供給マニホールド３２と空気排出マニホールド３３と連通する空気流路（図示せず）を備える。また、空気流路の背面には、冷却水供給マニホールド３４と冷却水排出マニホールド３５と連通する冷却水流路（図示せず）を備える。

ここで、集電板３、４と絶縁板５、６とについて図２、図３を用いて説明する。図３は集電板３と絶縁板５との関係を示す図であり、（ａ）は集電板３を凹部１５に内設する前の状態を示す図であり、（ｂ）は集電板３を凹部１５に内設した状態を示す図である。

集電板３は、例えば銅、ステンレスなどの金属であり、電気抵抗が小さい部材である。集電板３は、水素供給マニホールド３０などのマニホールドよりも内側、つまり燃料電池の中心側に設けた集電部１３と、集電部１３と外部の端子と接続する端子部１４と、を備える。

集電部１３は、単位セル１の積層方向と交差する方向において、単位セル１の電極２１が設けられた領域よりも広範囲に設けられ、単位セル１の積層方向と交差する方向における集電部１３の端部は電極２１の端部よりも外側に位置する。

端子部１４は、集電部１３から単位セル１を積層して構成されるスタック２の側面へ向けて、つまり燃料電池の外部へ向けて延設され、燃料電池を形成する場合に、各マニホールドに接触することないように設けられる。つまり、この実施形態では集電板３には、各マニホールドは設けられない。

絶縁板５は、水素供給マニホールド３０などのマニホールドよりも内側に集電部１３と略同一形状である凹部１５を備える。つまり、絶縁板５は、単位セル１の積層方向の端部に位置するセパレータ１１と対峙する面に凹部１５を備え、さらに水素供給マニホールド３０などのマニホールドを設けた面が単位セル１の積層方向の端部に位置するセパレータ１１と向かい合う。

凹部１５の深さは集電板３の板厚よりも浅く、凹部１５に集電板３を嵌合する。つまり、集電板３は絶縁板５に設けた凹部１５に内設され、その一部が凹部１５からスタック２側へ突出する。凹部１５の深さは、燃料電池を形成した場合に、集電板３とスタック２の端部に位置するセパレータ１１とを確実に当接させる深さであり、シール部１６の高さを考慮して設定される。

集電板３は、絶縁板５の凹部１５に内設され、各マニホールドとは絶縁板５によって隔離されているので、マニホールドを流れる水素、空気と集電板３とが接触することがなく、集電板３の腐食による金属イオンの発生を抑制することができ、各マニホールド内に集電板３の金属イオンが流入することを防ぐことができる。

集電板４および絶縁板６は、水素供給マニホールド３０などのマニホールドを設けない点を除いて、集電板３および絶縁板５と同じ構成であるので、ここで説明は省略する。

以上の構成によって、集電板３に水素供給マニホールド３０などのマニホールドを設けずに、絶縁板５の凹部１５に集電板３を内設し、絶縁板５によって、各マニホールドと集電板３とを隔離することで、集電板３から各マニホールド内への金属イオンの溶出を防止することができ、単位セル１への金属イオンの流入を防止することができる。

なお、絶縁板５を設けずに、電気絶縁性を有するエンドプレートに凹部を設けて、その凹部に集電板を内設してもよい。これにより、部品点数を少なくし、コストをおさえることができる。

また、スタック２の端部に位置する単位セル１のセパレータ１１、１２と、セパレータ１１、１２と当接する集電板３、４と、を例えばレーザ溶接などの融接や、スポット溶接などの圧接によって溶接してもよい。セパレータ１１、１２と集電板３、４とを溶接すると、セパレータ１１、１２と集電板３、４との間の電気抵抗を小さくすることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができ、さらに集電板の貴金属メッキを施す必要がなくなるので、コストを削減することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

集電板に水素供給マニホールドなどのマニホールドを設けた場合には、集電板としては銅などの電気抵抗の低い材料を基板として、その基板に例えば金などの貴金属メッキ処理を施し、セパレータ１１、１２との接触抵抗を低く抑えつつ、集電板の腐食、および腐食によって生じる金属イオンのマニホールド内への溶出を抑制している。しかしながら、集電板に貴金属メッキ処理を施す場合には、局所的に貴金属が乗らない箇所（ピンホール）が生じる場合がある。ピンホールが生じると、その箇所から集電板が腐食し、金属イオンがマニホールド内へ流出し、電解質膜を被毒して、燃料電池の発電性能を低下させる恐れがある。

このような現象を防止するためには、貴金属メッキを厚くすることも考えられるが、この場合には、貴金属メッキを厚くするので、コストが高くなる。また、ピンホールを完全に無くすことは困難である。

この実施形態では、水素供給マニホールド３０などのマニホールドよりも内側に設けた集電部１３と、マニホールドと接することなく燃料電池の外部へ向けて延設して、集電部１３と外部端子を接続する端子部１４と、によって集電板３を構成することで、反応ガスと集電板３とを絶縁板５で隔離し、水素、空気と集電板３とが接触しないようにするので、金属イオンの発生を抑制することができ、集電板３から溶出する金属イオンがマニホールド内へ流入することを防止することができる。これによって、金属イオンによる固体高分子電解質膜２０の被毒を防止し、発電性能の低下を防止することができる。また、集電板３の基材の選択、および表面処理の選択についての自由度が高くなり、電気抵抗の小さい基材などを選択することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、マニホールドの周壁を耐腐食性の高い部材によって形成する必要がなく、さらに絶縁板材料の熱収縮が大きいために寸法精度が要求されないので、製造を容易に行うことができ、コストを削減することができる。

マニホールドよりも内側に凹部１５を設け、凹部１５に集電板３を内設し、マニホールドを設けた面を単位セル１の積層方向の端部に位置するセパレータ１１と向かい合わせることで、部品点数を増やすことなくマニホールドと集電板３とを隔離することができ、燃料電池の部品点数を少なくすることができ、コストを削減することができる。

凹部１５の深さを集電板３の板厚よりも浅くすることで、集電板３とスタック２の端部のセパレータ１１とを確実に接触させることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

電極２１を設けた領域よりも広範囲に集電部１３を設けることにより、燃料電池を形成した際に電極２１の端部における応力集中を防ぐことができ、電極２１を構成するガス拡散層、触媒の劣化を抑制することができる。

絶縁板５において、水素供給マニホールド３０などのマニホールドが単位セル１の積層方向に貫通するので、各マニホールドにおいて、水素、空気、冷却水の流れが乱れることを抑制し、圧力損失を減少させることができ、また各単位セル１における流体の分配性を向上させることができるので、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。図４は集電板４０と絶縁板４１との関係を示す図であり、（ａ）は集電板４０を凹部４５に内設する前の状態を示す図であり、（ｂ）は集電板４０を凹部４５に内設した状態を示す図である。この実施形態は、集電板４０と絶縁板４１が第１実施形態と異なるものであり、ここでは集電板４０と絶縁板４１とについて説明を行う。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここで説明は省略する。

集電板４０は、集電部４２と、集電部４２から燃料電池の外側に向けて延設する端子部４３、４４と、を備える。集電板４０は、貴金属メッキを行わずに、冷却水に対する耐食性を有するステンレスなどを用いる。

端子部４３は、スタック２に冷却水を供給する冷却水供給マニホールド３４を備える。また、端子部４４はスタック２から排出される冷却水排出マニホールド３５を備える。端子部４３または端子部４４は、外部の端子と接続する。集電板４０に冷却水供給マニホールド３４と冷却水排出マニホールド３５とを備えることで、集電板４０の温度上昇を抑制し、集電板４０における電気抵抗を小さくし、燃料電池の発電性能を向上することができる。

絶縁板４１は、集電板４０と略同一形状の凹部４５を備え、凹部４５に集電板４０を内設する。

以上の構成によって、集電板４０を冷却水によって冷却することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、熱容量が比較的大きい集電板４０に冷却水供給マニホールド３４と冷却水排出マニホールド３５とを設けることによって、集電板４０を冷却することができ、燃料電池の発電性能を向上することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態の燃料電池の概略分解図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の一部断面を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態の集電板と絶縁板とを示す概略図であり、（ａ）集電板を絶縁板に内設する前の状態を示す図であり、（ｂ）集電板を絶縁板に内設した状態を示す図である。 本発明の第２実施形態の集電板と絶縁板とを示す概略図であり、（ａ）集電板を絶縁板に内設する前の状態を示す図であり、（ｂ）集電板を絶縁板に内設した状態を示す図である。

符号の説明

１ 単位セル
２ スタック
３、４、４０ 集電板
５、６ 絶縁板
７、８ エンドプレート
１３、４２ 集電部
１４、４３、４４ 端子部
１５、４５ 凹部
３０ 水素供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
３１ 水素排出マニホールド（反応ガス排出マニホールド）
３２ 空気供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
３３ 空気排出マニホールド（反応ガス排出マニホールド）
３４ 冷却水供給マニホールド
３５ 冷却水排出マニホールド

Claims (6)

1. 反応ガスによる電気化学反応によって発電する単位セルを積層して構成するスタックと、
   前記単位セルに前記反応ガスを供給し、前記単位セルを積層して形成される前記スタックの側面側に設けた反応ガス供給マニホールドと、
   発電に使用されなかった前記反応ガスを排出し、前記単位セルを積層して形成される前記スタックの側面側に設けた反応ガス排出マニホールドと、
   前記単位セルの積層方向における前記スタックの端部に位置するセパレータに当接し、前記単位セルによって発電した電気を集電し、前記反応ガス供給マニホールドと前記反応ガス排出マニホールドよりも内側に設けた集電部と、前記集電部から前記反応ガス排出マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドと接することなく外部へ向けて延設する端子部と、から構成する集電板と、
   前記反応ガス供給マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドを有し、前記反応ガス供給マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドよりも内側で前記集電板を内設する凹部を有する絶縁板と、
   前記単位セルに冷却水を供給する冷却水供給マニホールドと、
   前記単位セルを冷却した前記冷却水を前記単位セルから排出する冷却水排出マニホールドと、を備え、
   前記絶縁板は、前記反応ガス供給マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドを有する面が前記セパレータと向かい合い、
   前記凹部の深さは、前記集電板の板厚よりも浅く、
   前記集電板は、前記反応ガス供給マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドを有さず、前記冷却水供給マニホールドおよび前記冷却水排出マニホールドを有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記集電部は、前記単位セルの電極を設けた領域よりも広い範囲に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記反応ガス供給マニホールドおよび前記反応ガス排出マニホールドは、前記絶縁板を前記単位セルの積層方向に貫通することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記絶縁板は、燃料電池のエンドプレートであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記セパレータは金属セパレータであり、
   前記セパレータと前記集電板とは溶接により接合されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記冷却水供給マニホールドは、前記集電板を貫通することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。

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