JP5279468B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、集電板部分の構成に改良を施した燃料電池に関するものである。

燃料電池には、燃料電池積層体における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を、燃料電池積層体の外部に導通させるための集電板と電流ケーブルが設置されている。この集電板と電流ケーブルの接続方法としては、集電板に設置したネジ穴を使用して電流ケーブルの先端を集電板にネジ止めする方法や、集電板の一部に突き出し部を設けて電流ケーブルを接続する方法が取られている。

この場合、集電板としては、導電性に優れ機械的強度の高い金属板が使用されている。集電板を金属板で構成した場合は、金属イオンの溶出や金属部の腐食により電池性能が低下する場合がある。そのため、燃料電池積層体の各単セルに供給される燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が、金属の集電板と接触しないようにシール部を設ける方法が提案されている。（例えば、特許文献１、２参照）また、集電板の腐食による接触抵抗増大を防止する方法として、腐食に対して安定な金または白金をコーティングする方法（特許文献３参照）が提案されている。

特開２００７−１７９９９２号公報 第４０９０９５６号公報 特許第３４５４８３８号公報

しかしながら、特許文献１や２の技術のように、集電板を金属板で構成し、燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が金属と接触しないようにシール部を設置する方法では、シール部からの微量リークにより燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が部分的に金属の集電板と接触したり、大気中の水分の影響により金属の集電板に腐食が発生する可能性がある。

そのため、集電板が金属の場合は、耐食性と電気伝導性に優れた金もしくは白金コーティング品とすることが必要である。また、集電板として、耐食性と電気伝導性にすぐれた炭素板や黒鉛板、あるいは炭素質か黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料を採用し、金属部である電流ケーブル端子を燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が接触しない構成とすることが望ましい。

しかし、前者のように金属に金や白金コーティングを施した材料は、耐食性が優れており、燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が接触しても技術的な問題はない一方、非常に高価であり、燃料電池の商用化に当たってのネックとなっている。また、後者のように金属部を燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却水が接触しない構造をとったとしても、電流ケーブル端子が一般的な錫コーティング品の場合は、急激な腐食は発生しないものの、錫と炭素の異種材料間の電気化学電位差による腐食(ガルバニック腐食)が発生し、経時的に電圧ロスが拡大する問題がある。

なお、金や白金はその電気化学的電位差が炭素に対して貴であることから、金や白金をコーティングした材料の腐食が防止されるが、錫の場合は炭素に対してその電気化学的電位差が卑であることから、腐食が進むことになる。

同様なことは、集電板を燃料電池積層体との間で腐食が生じない炭素で構成して、この炭素製の集電板に銅やアルミニウムで作製した電流ケーブル端子を接続した場合にも生ずる。このように、従来技術では、炭素製の電流出力部材と、これに接触している金属製の電流取出部材との間の電気化学的電位差による腐食を効果的に抑制することは困難であった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、電流出力部材と電流取出部材との接続部における腐食を防止し、経時的な電圧ロスの拡大を抑制した燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明では、電流出力部材を構成する炭素に対して電気化学的電位差が卑である母材によって電流取出部材を構成すると共に、その電流取出部材の表面にその母材よりも炭素に対する電気化学的電位差が貴で、しかも、炭素に対する電気化学的電位差が卑である材料をコーティングし、炭素製の電流出力部材と電流取出部材との電気化学的電位差を０．６Ｖ以下、好ましくは、０．３５Ｖ以下としたことを特徴とする。前記電流取出部材の母材が銅であり、その表面にコーティングされる金属が銀またはニッケルのいずれかであることも、本発明の特徴である。

本発明によれば、炭素に対して電気化学的電位差が貴の金属である金や白金を使用することなく、炭素に対して電気化学的電位差が卑の金属をコーティングすることによって、アルミニウムや銅などの母材を使用した電流取出金具と炭素部材との接触部分における腐食を効果的に防止することが可能になる。また、腐食に伴う電流ロスの発生を抑制することもできる。

以下、本発明を、その実施形態に基づいて、図面を参照して説明する。ここで、相互に同一または類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１及び図２を用いて第１実施形態の構成を説明する。図１は、本発明による第１実施形態における燃料電池を示す斜視図である。図２は本発明による第１実施形態における燃料電池の断面図である。この第１実施形態は、燃料電池積層体の端部の炭素部分を電流出力部材とし、これに接触配置された集電板を電流取出部材としたものである。

第１実施形態の燃料電池は、図１に示すように、単位電池を複数枚積層した燃料電池積層体１と、燃料電池積層体１の両端に設置された導電性の集電板２（図１では締付板３に隠れている）と、集電板２の両端に設置された電気絶縁性の締付板３と、締付板３を互いに近接する方向に締め付けているタイロッド４とを備えている。燃料電池積層体１の側面には、燃料電池積層体１に対向した面に開口部を有する箱型のガスマニホールド５が設置されている。

図２に示すように、集電板２は、そのＬ字形の水平部分が燃料電池積層体１の端部１ａに配置され、燃料電池積層体１と締付板３とに挟持されている。締付板３は電気絶縁性の材料で構成されているが、締付板３を導電性の材料で構成する場合には、起電部の露出を防止するために集電板２と締付板３の間に絶縁物を挿入することが望ましい。

締付板３には、Ｌ字形に形成された集電板２の一部が外部に露出する形に形成された開口部６が設けられ、この開口部６部分における集電板２の外部露出部に、電流ケーブル端子１０が電流ケーブル固定ネジ８で固定されている。この電流ケーブル端子１０には、電流ケーブル９が接続されている。燃料電池積層体１の端部１ａと集電板２は接触しており、集電板２の周囲部はシール７で囲まれ、ガスマニホールド５の内部空間あるいは燃料電池積層体の外部空間と遮蔽されている。集電板２はアルミニウム材から構成され、その表面に銀がコーティングされている。

ここで、コーティングの手法は、母材の金属（第１実施形態ではアルミニウム）の表面を覆っていれば特に制約はなく、電気メッキ、溶融メッキ、イオンプレーティング、スパッタリング、化学的気相蒸着(ＣＶＤ)、金属箔による物理的な被覆、塗装などが挙げられる。

次に、上記の構成を有する第１実施形態の作用について説明する。この第１実施形態では、集電板２から取り出された電流は、集電板２→電流ケーブル端子１０→電流ケーブル９の順に流れる。集電板２は導電性に優れる金属のため炭素板や黒鉛板に比して体積固有抵抗が小さく、集電板２を貫通する電流による電圧ロスが低減できる。また、集電板２は燃料電池積層体１と接しているが、接触面積を大きく取ることが可能となり、接触抵抗のロスを低減できる。

一方、燃料電池積層体１は炭素材であるが、集電板２の表面が銀でコーティングされているため、炭素材との異種材料接触腐食（ガルバニック腐食）の発生が抑制される組合せであり、接触抵抗の長期安定性を確保できる。

すなわち、集電板２表面のコーティング材料は、接触する炭素材との異種材料接触腐食を抑制する観点から、ＪＩＣ６９５０で規定された異種材料間の電気化学的電位差０．６Ｖ以下であれば、一定の効果が得られる。第１実施形態で使用した集電板２はアルミニウム材で構成されているが、アルミニウムと炭素との電気化学的電位差は１．０Ｖであり、異種材料接触腐食が生じやすい。しかし、本実施形態では、アルミニウム材の表面に銀をコーティングしており、炭素と銀との電気化学的電位差は０．１Ｖであるため、アルミニウムと炭素を直接接触させた場合に比較して、接触腐食を抑制することができる。

なお、炭素と銀との電気化学的電位差０．１Ｖは、母材として銀を使用した場合の値であるが、アルミニウムに銀をコーティングした場合においても、コーティングの肉厚などによって多少の上昇はあるが、ＪＩＣ６９５０で規定された異種材料間の電気化学的電位差０．６Ｖ以下を十分確保できる。その結果、高価な白金や金などの希少金属を使用しなくても、比較的安価な銀、ニッケルなどのコーティング材料を適用することにより、炭素との異種材料間の腐食を抑制できる。

更に、本実施形態では、集電板２の周囲はシール７に囲まれており、集電板２と燃料電池積層体１の間へ燃料電池の反応ガス中に含まれる湿分や空気が侵入するのを抑制しているため、集電板２にコーティングした銀の表面の酸化を抑制する効果がある。しかも、集電板２は機械的強度に優れる金属材料（アルミニウム）のため、電流ケーブル端子１０との接続部での破損のリスクは、集電板２を炭素板にした場合と比較して小さい。

以上説明したように、本実施形態では、集電板２と燃料電池積層体１との部分で発生する電圧ロスの低減、集電板２表面の接触抵抗の低減とその長期的安定性の維持が可能となる。また、電流ケーブル端子１０の接続部の破損のリスクを小さくすることが可能となり、電圧ロスを抑制した高信頼性の燃料電池を提供することができる。

［第２実施形態］
図３を用いて第２実施形態の構成を説明する。図３は本発明の第２実施形態における燃料電池の断面図である。この第２実施形態は、燃料電池積層体の端部に配置された炭素製の集電板を電流出力部材とし、これに接触配置された電流取出金具を電流取出部材としたものである。

第２実施形態では、燃料電池積層体１の両端に設置された炭素製の集電板１４と、集電板１４の燃料電池積層体１とは逆の面に設置されたＬ字形の電流取出金具１５を、電流取付ネジ１２で固定した構造である。電流取出金具１５の外部露出部に、電流ケーブル端子１０が電流ケーブル固定ネジ８で固定されている。この電流ケーブル端子１０に、電流ケーブル９が接続されている。燃料電池積層体１と集電板１４は接触しており、集電板１４の周囲部はシール７で囲まれている。電流取出金具１５は銅材から構成され、その表面に銀が第１実施形態と同様な手段でコーティングされている。

上記の構成を有する第２実施形態では、集電板１４から取り出された電流は集電板１４→電流取出金具１５→電流ケーブル端子１０→電流ケーブル９の順に流れる。集電板１４は導電性に優れ、かつ積層体１と同一材料の炭素であり、積層体１と集電板１４の間では腐食は起きない。炭素製の集電板１４には電流取出金具１５が接しているが、電流取出金具１５の表面が銀でコーティングされているため、炭素材との異種材料接触腐食（ガルバニック腐食）の発生が抑制される組合せであり、接触抵抗の長期安定性を確保できる。更に、電流取出金具１５はシール７によって積層体から隔離されているため、電流取出金具１５にコーティングした銀の表面の酸化を抑制する効果がある。

この実施の形態においては、電流取出金具１５の母材として銅を使用している。銅と炭素との電気化学的電位差は０．３５Ｖであり、銅単独でもＪＩＣ６９５０で規定された異種材料間の電気化学的電位差０．６Ｖ以下を満足できる。しかし、本実施形態では、母材である銅の表面に、炭素との電気化学的電位差がより小さい０．１Ｖの銀がコーティングされているので、その電気化学的電位差は０．３５Ｖ以下となり、銅単独の母材を使用した場合に比較して耐腐食性能をより向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、集電板１４と電流取出金具１４間の接触抵抗の低減が可能となり、電圧ロスを抑制した高信頼性の燃料電池を提供することができる。

［第３実施形態］
図４は本発明による第３実施形態における燃料電池の断面図である。本実施形態は、集電板１４、銀コーティングの電流取出金具１５および錫コーティングの電流ケーブル端子１０の構成の第２実施形態に対し、ネジ部１４ａを有する炭素製の集電板１４と銅の母材に銀コーティングを施した電流ケーブル端子１１の構成である。この第３実施形態においても、前記第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［他の実施形態］
以上で説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、集電板２および電流取出金具１５の表面のコーティング材料は接触する炭素との異種材料接触腐食を抑制する観点から、ＪＩＣ６９５０で規定された異種材料間の電気化学的電位差０．６Ｖ以下であれば、ニッケルなども使用できる。その場合、母材となる金属に合わせて、コーティングする金属はそれよりも電気化学的電位差が貴のものを使用する。

図示の実施形態は、外部マニホールド構成の燃料電池に本発明を適用したものであるが、内部マニホールド構成の燃料電池についても、本発明を適用することが可能である。

本発明の燃料電池の第１実施形態を示す斜視図。 本発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図。 本発明の燃料電池の第２実施形態を示す断面図。 本発明の燃料電池の第３実施形態を示す斜視図。

符号の説明

１…燃料電池積層体
２…集電板（金属＋銀コーティング）
３…締付板
４…タイロッド
５…ガスマニホールド
６…締付板の開口部
７…シール
８…電流ケーブル固定ネジ
９…電流ケーブル
１０…電流ケーブル端子（錫コーティング品）
１１…電流ケーブル端子（銀コーティング品）
１２…電流ケーブル止めネジ
１３…冷却水マニーホールド
１４…集電板（炭素）
１５…電流取出金具（金属＋銀コーティング）

Claims (3)

1. 燃料電池積層体とこれを固定する締付板との間に、燃料電池積層体からの電流をその外部に出力する炭素製の電流出力部材を配置し、この炭素製電流出力部材に対して母材を金属とした電流取出部材を接触状態で固定し、この電流取出部材に対して電流ケーブルを電気的に接続してなる燃料電池において、
   前記電流取出部材を、電流出力部材を構成する炭素に対して電気化学的電位差が卑である母材によって構成すると共に、その電流取出部材の表面にその母材よりも炭素に対する電気化学的電位差が貴で、しかも、炭素に対する電気化学的電位差が卑である材料をコーティングし、炭素と電流取出部材との電気化学的電位差を０．６Ｖ以下とし、
   前記電流取出部材の母材が銅であり、その表面にコーティングされる金属が銀またはニッケルのいずれかであることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電流出力部材が、燃料電池積層体の端部に形成された炭素部材であり、前記電流取出部材が燃料電池積層体と締付板との間に配置された集電板であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記電流出力部材が、燃料電池積層体と締付板との間に配置された集電板であり、前記電流取出部材が集電板に固定された電流取出金具または電流ケーブル端子であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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