JP5347456B2 - FUEL CELL STACK AND VEHICLE HAVING FUEL CELL STACK - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタック、および燃料電池スタックを有する車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack and a vehicle having the fuel cell stack.
近年、クリーンなエネルギー供給源として固体高分子型燃料電池に注目が集まっている。固体高分子型燃料電池は、触媒層およびガス拡散層を電解質膜の両面に配し、ガスの流路を備えたセパレータによってこれらを挟んだ単セルを構成の基本単位としている。高電圧を得るため、単セルを複数積層し電気的に接続して燃料電池スタックとして用いるのが一般的である。 In recent years, solid polymer fuel cells have attracted attention as clean energy supply sources. A solid polymer fuel cell has a basic unit of a single cell in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane and these are sandwiched by a separator having a gas flow path. In order to obtain a high voltage, a plurality of single cells are generally stacked and electrically connected to be used as a fuel cell stack.
セパレータが、水素やメタノール等の燃料ガス、または空気等の酸化剤ガスを燃料電池スタック内に流すとともに、単セル同士を電気的に接続する。このため、耐食性および強度ならびに導電性に優れたセパレータが好ましく、例えば特許文献1の発明者らは、アルミニウム合金等の金属によって形成した基材に、ダイヤモンド様カーボン(Diamond−Like Carbon、以下、単にDLCと称す)膜を形成することによって、セパレータを作製している。 The separator allows a fuel gas such as hydrogen or methanol or an oxidant gas such as air to flow into the fuel cell stack and electrically connects the single cells. For this reason, a separator excellent in corrosion resistance, strength, and conductivity is preferable. For example, the inventors of Patent Document 1 apply diamond-like carbon (Diamond-Like Carbon, hereinafter simply to a substrate formed of a metal such as an aluminum alloy). The separator is produced by forming a film (referred to as DLC).
セパレータによって電気的に接続した複数の単セルの電力は、燃料電池スタックが備える集電体を介して取り出される。集電体は一般的に単セルの積層方向に位置し、複数の単セルのうち積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータに接している。導電性向上のため、集電体は例えば金メッキを表面に有する
しかし例えば上で挙げたようなアルミニウムの基材にDLC膜を形成したセパレータと金メッキを有する集電体とが接する、つまり異種金属同士が接すると一方が他方に対して卑となって腐食が生じ、燃料電池スタックが良好な集電性能を発揮できない虞がある。 However, for example, when a separator having a DLC film formed on an aluminum base as mentioned above is in contact with a current collector with gold plating, that is, when dissimilar metals are in contact with each other, one of them becomes base and corrosion occurs. The fuel cell stack may not be able to exhibit good current collecting performance.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、良好な集電性能を発揮し得る燃料電池スタック、およびそのような燃料電池スタックを有する車両を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of exhibiting good current collecting performance, and a vehicle having such a fuel cell stack. .
上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックは、積層した複数の単セルと、単セルの積層方向に配置され、単セルが備えるセパレータに電気的に接続して単セルの電力を取り出すための集電体と、を有する。集電体では、セパレータの表面材料と異なる金属によって表面が形成されている。また燃料電池スタックは、複数の単セルのうち積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータ、および集電体によって挟まれ、セパレータおよび集電体における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材を有する。緩衝部材においてセパレータに接する第1接触部の標準電極電位と、第1接触部に接するセパレータ表面の標準電極電位とは等しい。緩衝部材において集電体に接する第2接触部の標準電極電位と、第2接触部に接する集電体表面の標準電極電位とは等しい。 In order to achieve the above object, a fuel cell stack of the present invention includes a plurality of stacked single cells, and is arranged in the stacking direction of the single cells, and is electrically connected to a separator included in the single cells to extract the power of the single cells. A current collector. In the current collector, the surface is formed of a metal different from the surface material of the separator. In addition, the fuel cell stack includes a separator provided in a single cell located at an end in the stacking direction among a plurality of single cells, and a buffer member that is sandwiched between current collectors and prevents contact between different metals in the separator and current collectors Have In the buffer member, the standard electrode potential of the first contact portion in contact with the separator is equal to the standard electrode potential of the separator surface in contact with the first contact portion. In the buffer member, the standard electrode potential of the second contact portion in contact with the current collector is equal to the standard electrode potential of the current collector surface in contact with the second contact portion.
上記目的を達成するための本発明の車両は、前述の燃料電池スタックを有する。 In order to achieve the above object, a vehicle of the present invention has the fuel cell stack described above.
本発明は、緩衝部材によって集電体およびセパレータにおける異種金属同士の接触を防いで両者の腐食を抑制し、良好な集電性能を発揮できる。 According to the present invention, the buffer member prevents contact between different metals in the current collector and the separator, thereby suppressing corrosion of the both and exhibiting good current collecting performance.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態および変形例において、共通する機能を有する部材については、類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in the embodiments and modifications described below, members having a common function are denoted by similar reference numerals, and redundant description is omitted.
<燃料電池スタック>
図1は燃料電池スタックを示す概略断面図、図2は図1の符号2によって囲んだ部分を拡大して示す断面図、図3は燃料電池スタックの他の例を示す概略断面図である。
<Fuel cell stack>
1 is a schematic cross-sectional view showing a fuel cell stack, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion surrounded by reference numeral 2 in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of the fuel cell stack.
図1において概説すると、燃料電池スタック100は、積層した複数の単セル140、150、160を有する。燃料電池スタック100はまた、単セル140、150、160の積層方向に配置され、単セル140、150、160が備えるセパレータ142、143、162に電気的に接続して単セル140、150、160の電力を取り出すための集電板120(集電体に相当する)を有する。集電板120では、セパレータ142、143、162の表面の金属と異なる金属によって表面が形成されている。
As outlined in FIG. 1, the
燃料電池スタック100はまた、セパレータ142、162および集電板120における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材130を有する。複数の単セル140、150、160のうち積層方向の端に位置する単セル140、160に備えられたセパレータ142、162、および集電板120が、緩衝部材130を挟んでいる。
The
燃料電池スタック100はさらに、単セル140、150、160、緩衝部材130、および集電板120を積層方向から挟持するエンドプレート110を有する。エンドプレート110を形成する材料は、例えば絶縁性の樹脂である。
The
単セル140は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応を進行させる膜電極接合体141と、膜電極接合体141を挟むセパレータ142、143と、を有する。膜電極接合体141は、高分子電解質からなる電解質膜144、および電解質膜144の両面に配した電極145、146を有する。電極145、146は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散させるガス拡散層と、触媒を含んだ触媒層と、を有する。
The
セパレータ142は、燃料ガスを流す流路148および冷却水を流す流路147を有する。セパレータ143は、酸化剤ガスを流す流路149および冷却水を流す流路147を有する。
The
流路148は燃料ガスが流れるマニホールド(不図示)に連通している。流路149は酸化剤ガスが流れるマニホールド(不図示)に連通している。流路147は冷却水が流れるマニホールド(不図示)に連通している。燃料ガスは、例えば、水素、メタノールである。酸化剤ガスは、例えば、空気である。
The
図2に示すようにセパレータ142、143は、アルミニウムによって形成された基材20と、基材20の表面全体を覆う硬質炭素皮膜22と、を有する。アルミニウムは、重量、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましい。硬質炭素皮膜22は硬質炭素を含む。単セル150、160は、単セル140と略同様である。
As shown in FIG. 2, the
集電板120は、アルミニウムによって形成された基材121と、基材121の表面全体を覆う層122と、を有する。層122は金メッキである(以下、層122を金メッキ層122と称す)。金は導電性に優れ、好ましい。
The
緩衝部材130は、アルミニウムによって形成された基材131、ならびに基材131の表面を覆う硬質炭素および金を有する。緩衝部材130においてセパレータ142に接する層133(第1接触部に相当する)が、硬質炭素を含む。緩衝部材130において集電板120に接する層132(第2接触部に相当する)が、金を含む。
The
つまり、層133、および層133に接するセパレータ142の表面に硬質炭素皮膜を有する。また、層132、および層132に接する集電板120の表面が金を含む(以下、層133を硬質炭素皮膜133と称し、層132を金メッキ層132と称す)。
That is, the hard carbon film is formed on the surface of the
このため、硬質炭素皮膜133の標準電極電位と、硬質炭素皮膜133に接するセパレータ表面の標準電極電位とが等しく、金メッキ層132の標準電極電位と、金メッキ層132に接する集電板表面の標準電極電位とが等しい。標準電極電位が等しいとは、標準電極電位が全く同一の状態だけでなく、標準電極電位が近似する状態を含み、全く同一の金属でなくとも腐食を抑制できればよい。
Therefore, the standard electrode potential of the
硬質炭素皮膜22および硬質炭素皮膜133はグラファイト化DLCを含むため、導電性を確保しつつ、基材20、121のみの場合と比較して耐食性が改善され得る。
Since the
硬質炭素皮膜22および硬質炭素皮膜133は、ラマン散乱分光分析によって測定される、Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)によって規定される。具体的には、強度比R(ID/IG)が1.3以上である。
The
炭素材料をラマン分光法によって分析すると、通常1350cm−1付近および1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333cm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp2結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、硬質炭素皮膜22および硬質炭素皮膜133の接触抵抗の指標とすることができ、硬質炭素皮膜22および硬質炭素皮膜133の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Highly crystalline graphite has a single peak near 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as the “G band”. On the other hand, a peak near 1350 cm −1 appears as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase). This peak is usually referred to as the “D band” (note that the peak of diamond is strictly 1333 cm −1 and is distinct from the D band). The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) is the graphite cluster size of the carbon material and the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), It is used as an indicator such as sp2 bond ratio. That is, in the present invention, it can be used as an index of contact resistance between the
R(ID/IG)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(ID)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(IG)との相対的強度比(ピーク面積比(ID/IG))を算出することにより求められる。 The R (I D / I G ) value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the peak intensity of 1300~1400Cm -1 called the D band (I D), the relative intensity ratio of the peak intensity of 1500~1600Cm -1 called G band (I G) (peak area ratio ( I D / I G )).
上述したように、本実施形態において、R値は1.3以上である。また、好ましい実施形態において、当該Rは、好ましくは1.4〜2.0であり、より好ましくは1.4〜1.9であり、さらに好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保できる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制できる。さらに、硬質炭素皮膜22および硬質炭素皮膜133自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である基材20、131との密着性を一層向上できる。
As described above, in this embodiment, the R value is 1.3 or more. Moreover, in preferable embodiment, the said R becomes like this. Preferably it is 1.4-2.0, More preferably, it is 1.4-1.9, More preferably, it is 1.5-1.8. If the R value is 1.3 or more, sufficient conductivity in the stacking direction can be secured. Moreover, if R value is 2.0 or less, the reduction | decrease of a graphite component can be suppressed. Furthermore, the increase in internal stress of the
緩衝部材130、セパレータ142、143、および集電板120の面方向の大きさは略等しく、緩衝部材130は、セパレータ142と集電板120との間に介在してこれらを直接接触させない。
The size of the
これと異なり、例えば図3に示すように集電板120Aがセパレータ142Aより小さいとき、緩衝部材130Aの面方向の大きさは、セパレータ142Aより小さく、集電板120Aと略等しくてもよい。このような構成によって、緩衝部材130Aはセパレータ142Aと集電板120Aとを直接接触させない。集電板120Aは、エンドプレート110Aが備える凹部115Aに嵌っている。
Unlike this, for example, as shown in FIG. 3, when the
燃料電池スタック100の作用効果を述べる。
The operational effects of the
燃料電池スタック100は、緩衝部材130によって集電板120およびセパレータ142、162における異種金属同士の接触を防いでおり、硬質炭素皮膜133の標準電極電位と、セパレータ142、162の表面の標準電極電位とが等しい。また、金メッキ層132の標準電極電位と集電板120の表面の標準電極電位とが等しい。よって燃料電池スタック100は、集電板120およびセパレータ142、162の腐食(ガルバニック腐食)を抑制し、良好な集電性能を発揮し得る。
The
緩衝部材130を用いず、セパレータ142、162において集電板120と接する表面を金メッキとすることによっても、腐食の抑制を図れる。
Corrosion can also be suppressed by using gold plating on the surfaces of the
しかし、多数あるセパレータの一部だけを他と異なるセパレータとすると、例えば生産性の向上等、同一のセパレータを多数作製する効果が薄れる。また、複数の単セルを積層したモジュールを形成し、このモジュールを積層することによって燃料電池スタック100を形成するときも、多数のモジュールのうちの一部だけを他と変えなければならず、同様である。
However, if only some of the many separators are different from others, the effect of producing a large number of the same separators such as improvement in productivity is reduced. Also, when forming a
しかし燃料電池スタック100では、セパレータとは別部材の緩衝部材130によって腐食の抑制を図るため、同一のセパレータ、または同一のモジュールを積層すればよく、同一のものを多数作製することによる効果を得られる。
However, in the
燃料電池スタック100では、緩衝部材130の基材131と、セパレータ142の基材20とが同じ材質である。このため、硬質炭素皮膜133、およびセパレータ142、162の表面の硬質炭素皮膜22に欠陥が生じても、燃料電池スタック100は、緩衝部材130およびセパレータ142、162の腐食を抑制できる。
In the
<変形例1>
図4は変形例1の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
<Modification 1>
FIG. 4 is an enlarged perspective view showing a main part of the fuel cell stack of the first modification.
変形例1の燃料電池スタック200は、燃料電池スタック100と略同様であるが、緩衝部材230、集電板220、およびエンドプレート210が燃料電池スタック100と異なる。
The
エンドプレート210が緩衝部材230に対向する面に凹部を有する点で、エンドプレート210はエンドプレート110と異なる。また集電板220がエンドプレート210の凹部に嵌っている点で、集電板220は集電板120と異なる。
The
エンドプレート210は、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流れるマニホールド211を有する。エンドプレート210は、ガスまたは冷却水の漏出を防止するためのシール材212を、マニホールド211の周囲に有する。
The
緩衝部材230は緩衝部材130と略同様であり、セパレータ(不図示)に対向する表面233が硬質炭素を含み、集電板に対向する表面232が金を含む。一方で緩衝部材230は、硬質炭素を含む層235をエンドプレート210に対向する側に有する点で、緩衝部材110と異なる。
The
緩衝部材230は、層235を燃料ガス等が流れるマニホールド234の周囲に有する。すなわち、緩衝部材230における、エンドプレート210に対向する側の表面では、マニホールド234の周囲の層235が硬質炭素を含み、その他の部分は金メッキである。
The
燃料電池スタック200は、燃料電池スタック100と略同様の構成を有し、燃料電池スタック100と同様の効果を奏する。また燃料電池スタック200は、硬質炭素を含む層235をマニホールド234の周囲に有するため、燃料電池スタック100の効果に加え、マニホールド234を流れる燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水に対する耐食性を向上できる。
The
<変形例2>
図5は変形例2の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
<Modification 2>
FIG. 5 is an enlarged perspective view showing a main part of the fuel cell stack according to the second modification.
変形例2の燃料電池スタック300は、燃料電池スタック100と略同様であるが、緩衝部材330、集電板320、およびエンドプレート310が燃料電池スタック100と異なる。
The
エンドプレート310が緩衝部材330に対向する面に凹部を有する点で、エンドプレート310はエンドプレート110と異なる。また集電板320がエンドプレート310の凹部に嵌っている点で、集電板320は集電板120と異なる。
The end plate 310 is different from the
エンドプレート310は、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流れるマニホールド311を有する。エンドプレート310は、ガスまたは冷却水の漏出を防止するためのシール材312を、マニホールド311の周囲および集電板320の周囲に有する。
The end plate 310 has a manifold 311 through which fuel gas, oxidant gas, or cooling water flows. The end plate 310 has a sealing
緩衝部材330は緩衝部材130と略同様であり、セパレータ(不図示)に対向する表面333が硬質炭素を含む。一方で、金を含む層332だけでなく、硬質炭素を含む層335をエンドプレート310に対向する側に有する点で、緩衝部材330は緩衝部材130と異なる。
The
層332の面方向の大きさは、集電板320の面方向の大きさと略等しい。緩衝部材330におけるエンドプレート310に対向する側の表面では、層332以外の部分が、硬質炭素を含む層335である。
The size of the
変形例2の燃料電池スタック300は、燃料電池スタック100と略同様の構成を有し、燃料電池スタック100と同様の効果を奏する。緩衝部材330におけるエンドプレート310に対向する側の表面では、層332以外の部分が硬質炭素を含む。このため、燃料電池スタック300は、燃料電池スタック100の効果に加え、マニホールド334を流れる燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水に対する耐食性を向上できる。
The
<車両>
図6は燃料電池スタックを有する車両の概略図である。
<Vehicle>
FIG. 6 is a schematic view of a vehicle having a fuel cell stack.
図6に示すように車両400は、燃料電池スタック100を駆動用電源とし、燃料電池スタック100が生成する電力によってモータを駆動して走行する。車両400は、燃料電池スタック200または燃料電池スタック300を搭載してもよい。車両400は、燃料電池スタック100を搭載するため、良好な集電性能を発揮できる。
As shown in FIG. 6, the
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims.
例えば実施形態では、緩衝部材130が、アルミニウムによって形成した基材131、金メッキの層132、および硬質炭素を含む層133を有するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
For example, in the embodiment, the
すなわち本発明は異種金属同士の接触を防いで腐食の抑制を図るものを含み、セパレータ142、162および集電板120の構成に合わせて、緩衝部材130における基材131、層132、層133を適宜設計できる。
That is, the present invention includes a device that prevents contact between different metals and suppresses corrosion. The
100、200、300 燃料電池スタック、
110、110A、210、310 エンドプレート、
120、120A、220、320 集電板(集電体)、
121 基材、
122 金メッキ層、
130、130A、230、330 緩衝部材、
131 基材、
132、232、332 金メッキ層(第2接触部)、
133、233、333 硬質炭素皮膜(第1接触部)、
140、140A、150、160 単セル、
141 膜電極接合体、
142、143、162 セパレータ、
211、234、311、334 マニホールド、
235、335 硬質炭素皮膜、
400 車両。
100, 200, 300 Fuel cell stack,
110, 110A, 210, 310 end plate,
120, 120A, 220, 320 current collector (current collector),
121 substrate,
122 gold plating layer,
130, 130A, 230, 330 cushioning member,
131 substrate,
132, 232, 332 gold plating layer (second contact portion),
133, 233, 333 hard carbon film (first contact portion),
140, 140A, 150, 160 single cell,
141 membrane electrode assembly,
142, 143, 162 separators,
211, 234, 311, 334 Manifold,
235, 335 hard carbon film,
400 vehicles.
Claims (6)
前記単セルの積層方向に配置され、前記単セルが備えるセパレータに電気的に接続して前記単セルの電力を取り出すための、前記セパレータの表面材料と異なる金属によって表面が形成された集電体と、
当該集電体、および前記複数の単セルのうち前記積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータによって挟まれ、当該セパレータおよび前記集電体における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材と、を有し、
前記緩衝部材において前記セパレータに接する第1接触部の標準電極電位と、当該第1接触部に接するセパレータ表面の標準電極電位とが等しく、前記緩衝部材において前記集電体に接する第2接触部の標準電極電位と、当該第2接触部に接する集電体表面の標準電極電位とが等しい燃料電池スタック。 A plurality of stacked single cells;
A current collector having a surface formed of a metal different from the surface material of the separator, which is arranged in the stacking direction of the single cells and is electrically connected to a separator provided in the single cells to extract electric power of the single cells When,
A buffer member that is sandwiched between separators provided on the current collector and a single cell located at an end in the stacking direction among the plurality of single cells, and prevents contact between different metals in the separator and the current collector; , have a,
The standard electrode potential of the first contact portion in contact with the separator in the buffer member is equal to the standard electrode potential of the separator surface in contact with the first contact portion, and the second contact portion in contact with the current collector in the buffer member. A fuel cell stack in which the standard electrode potential is equal to the standard electrode potential of the current collector surface in contact with the second contact portion .
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JP2008304992A JP5347456B2 (en) | 2008-11-28 | 2008-11-28 | FUEL CELL STACK AND VEHICLE HAVING FUEL CELL STACK |
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