JP5804587B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、積層方向に貫通して少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかの流体が流通する流体連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に発電面に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体である各流体を流す流体流路と、前記流体流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する流体連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。

この場合、セパレータとして金属セパレータが用いられる際、流体連通孔に存在する凝縮水を介して、高電位側の単位セルを構成するセパレータに腐食が発生し易い。これにより、金属セパレータが腐食し、金属イオンの溶出により前記セパレータの薄肉化（穴あき）が生じるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、図１０に示すように、複数の燃料電池１が積層されるとともに、前記燃料電池１は、ＭＥＡ２とセパレータ３との積層体から構成されている。

ＭＥＡ２は、電解質膜２ａと、この電解質膜２ａの両面に配置されるアノード電極２ｂ及びカソード電極２ｃとからなっている。セパレータ３は、メタルセパレータ３ａと樹脂フレーム３ｂとの組み合わせより構成されるとともに、前記メタルセパレータ３ａは、ＳＵＳ材等により構成されている。燃料電池１の積層方向に貫通して冷媒マニホールド４が形成されるとともに、前記冷媒マニホールド４は、冷媒流路５に連通している。

燃料電池スタックでは、メタルセパレータ３ａの表面材よりも腐食し易い犠牲部材６が設けられている。この犠牲部材６は、冷媒流路５を流れる冷媒と、冷媒マニホールド４を流れる冷媒との、少なくとも一方に接するように設けられている。

従って、犠牲部材６は、メタルセパレータ３ａと導通するため、前記メタルセパレータ３ａの腐食が抑制されて、電池の性能を阻害することを防止することができる、としている。

特開２００７−８７７６６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタックに、セパレータ３の表面材よりも腐食し易い材料からなるプレート状の犠牲部材６が設けられているため、部品点数が増加するとともに、製造費が高騰するという問題がある。

しかも、燃料電池スタック全体が積層方向に大型化するとともに、重量物となる。これにより、特に車載用として狭小なスペースに好適に配置することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、金属セパレータの腐食を良好に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、積層方向に貫通して冷却媒体が流通する冷却媒体供給連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。

金属セパレータには、冷却媒体供給連通孔を形成するセパレータ内周面を周回し、且つ前記内周面から前記金属セパレータの積層方向を臨む第１金属面の一部及び前記第１金属面の反対面となる第２金属面の一部を含むように被覆する絶縁部材が設けられるとともに、前記絶縁部材の外周には、前記冷却媒体供給連通孔を周回して前記第１又は第２金属面のうち少なくとも一方を露出させた金属露出面が設けられ、前記絶縁部材は、前記金属露出面と前記冷却媒体供給連通孔とを連通させ、前記絶縁部材自体に設けられる連通部を有する、又は前記冷却媒体供給連通孔の全周にわたって前記金属露出面と前記冷却媒体供給連通孔とを連通させる隙間を形成する。

また、この燃料電池スタックの金属セパレータには、絶縁性を有し前記金属露出面の外周を周回するシール部材が設けられることが好ましい。

本発明によれば、絶縁部材の外周には、流体連通孔を周回して少なくとも一方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面が設けられている。このため、絶縁部材の外周には、一定の範囲にわたって金属露出面を露出させることができ、金属セパレータの特定の部位に腐食電流が集中することを阻止することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、金属セパレータの腐食を良好に抑制することができ、前記金属セパレータの耐久性の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面の説明図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 前記燃料電池の要部平面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。

複数の燃料電池１０は、例えば、電極面を水平方向に沿って（水平姿勢）重力方向（矢印Ａ方向）に積層されて燃料電池スタックを構成する。なお、燃料電池１０は、電極面を重力方向に沿って（鉛直姿勢）水平方向に積層されてもよい。

第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２金属セパレータ１４、１６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）１８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）２０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）２２ｂが設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）２２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）１８ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに連通する。第１金属セパレータ１４の面１４ａとは反対の面１４ｂには、冷却媒体流路２８が形成される。冷却媒体流路２８は、冷却媒体供給連通孔２０ａ及び冷却媒体排出連通孔２０ｂに連通する。

第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路３０が形成される。第２金属セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔２０ａと冷却媒体排出連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路２８が形成される（図１参照）。

図２に示すように、第１金属セパレータ１４は、金属薄板３２上に第１シール部材３３が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ１６は、金属薄板３４上に第２シール部材３５が一体に射出成形される。

第１及び第２シール部材３３、３５は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

図３に示すように、第１シール部材３３は、第１金属セパレータ１４の面１４ａ側において、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂを酸化剤ガス流路２６に連通する。第１シール部材３３には、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部３６ａと出口側ブリッジ部３６ｂとが一体に成形される。

第２シール部材３５は、図４に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ａ側において、燃料ガス供給連通孔２２ａ及び燃料ガス排出連通孔２２ｂと燃料ガス流路３０とを連通する。第２シール部材３５には、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部３８ａと出口側ブリッジ部３８ｂが一体に成形される。

図１に示すように、第２シール部材３５には、第２金属セパレータ１６の面１６ｂ側において、冷却媒体供給連通孔２０ａと冷却媒体排出連通孔２０ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部４０ａと出口側ブリッジ部４０ｂが一体に成形される。

図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４は、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、冷却媒体供給連通孔２０ａ、冷却媒体排出連通孔２０ｂ、燃料ガス供給連通孔２２ａ及び燃料ガス排出連通孔２２ｂ（以下、単に各連通孔ともいう）を形成する金属薄板３２の内周面（セパレータ内周面）３２ａから両方のセパレータ金属面の一部を被覆して絶縁部材３３ａを設ける。

絶縁部材３３ａは、第１シール部材３３と同一材料で一体成形されるとともに、前記絶縁部材３３ａの外周には、各連通孔を周回し両方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面３２ｂ、３２ｃが設けられる。金属露出面３２ｂ、３２ｃは、全周全体が露出していなくてもよく、一部が露出、例えば、断続的に露出してもよい。絶縁部材３３ａは、各連通孔と金属露出面３２ｂ、３２ｃとを一定の距離Ｈだけ離間させる。金属露出面３２ｂ、３２ｃの外周を周回して絶縁部材である第１シール部材３３が設けられる。腐食電流を特定の部位に流すことができるからである。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス流路２６を露出させて金属露出面３２ｄが設けられる一方、面１４ｂには、冷却媒体流路２８を露出させて金属露出面３２ｅが設けられる。

第２金属セパレータ１６は、図２及び図４に示すように、各連通孔を形成する金属薄板３４の内周面（セパレータ内周面）３４ａから両方のセパレータ金属面の一部を被覆して絶縁部材３５ａが設けられる。絶縁部材３５ａは、第２シール部材３５と同一材料で一体成形されるとともに、前記絶縁部材３５ａの外周には、各連通孔を周回し両方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面３４ｂ、３４ｃが設けられる。絶縁部材３５ａは、所定の距離Ｈを有して構成される。金属露出面３４ｂ、３４ｃの外周を周回して絶縁部材である第２シール部材３５が設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１６には、燃料ガス流路３０を露出させて金属露出面３４ｄが設けられる一方、面１６ｂ側には、冷却媒体流路２８を露出させて金属露出面３４ｅが設けられる。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

図２に示すように、絶縁部材３３ａ、３５ａと固体高分子電解質膜４２との間には、所定の隙間Ｓが形成される。隙間Ｓは、各連通孔の全周にわたって設けられ、断面積を小さく設定することにより、電気抵抗が大きくなって腐食電流を減少させることができる。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１金属セパレータ１４に設けられた酸化剤ガス流路２６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２２ａから第２金属セパレータ１６に設けられている燃料ガス流路３０に導入される。燃料ガス流路３０に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２０ａから冷却媒体流路２８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２０ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔２０ａにおいて、第１金属セパレータ１４には、金属薄板３２の内周面３２ａから両方のセパレータ金属面の一部を被覆して絶縁部材３３ａが設けられている。そして、絶縁部材３３ａの外周には、冷却媒体供給連通孔２０ａを周回し両方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面３２ｂ、３２ｃが設けられている。

このため、絶縁部材３３ａの外周には、一定の範囲にわたって（距離Ｈだけ離間して）、金属露出面３２ｂ、３２ｃを冷却媒体供給連通孔２０ａの外周に露出させることができる。絶縁部材３３ａは、一定の距離Ｈだけ設けられるとともに、固体高分子電解質膜４２との間に隙間Ｓが形成されており、この領域では、水断面積が小さいために電気抵抗が大きくなり、腐食電流を減らすことが可能になる。しかも、第１金属セパレータ１４では、金属薄板３２の特定の部位に腐食電流が集中することを阻止することができる。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、第１金属セパレータ１４の腐食を良好に抑制することが可能になり、前記第１金属セパレータ１４の耐久性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

一方、第２金属セパレータ１６では、同様に冷却媒体供給連通孔２０ａを周回して絶縁部材３５ａが設けられるとともに、この絶縁部材３５ａの外周には、前記冷却媒体供給連通孔２０ａを周回し両方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面３４ｂ、３４ｃが設けられている。従って、第２金属セパレータ１６の特定の部位に腐食電流が集中することを阻止することができる等、上記の第１金属セパレータ１４と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池５０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池５０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ５２及び第２金属セパレータ５４を備える。第１金属セパレータ５２は、金属薄板５６上に第１シール部材５８が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ５４は、金属薄板６０上に第２シール部材６２が一体に射出成形される。

第１金属セパレータ５２は、冷却媒体供給連通孔２０ａを形成する金属薄板５６の内周面（セパレータ内周面）５６ａから両方のセパレータ金属面の少なくとも一部を被覆して絶縁部材５８ａを設ける。絶縁部材５８ａは、金属薄板５６の他方のセパレータ金属面側に第１シール部材５８と一体且つ連続して設けられており、一方のセパレータ金属面側で折り返して終端する。絶縁部材５８ａの外周には、冷却媒体供給連通孔２０ａを周回し一方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面５６ｂが設けられる。

第２金属セパレータ５４は、同様に冷却媒体供給連通孔２０ａを形成する金属薄板６０の内周面（セパレータ内周面）６０ａから両方のセパレータ金属面の少なくとも一部を被覆して絶縁部材６２ａを設ける。絶縁部材６２ａは、他方のセパレータ金属面側で第２シール部材６２に連続して設けられる。この絶縁部材６２ａの外周には、冷却媒体供給連通孔２０ａを周回し一方のセパレータ金属面を露出させて金属露出面６０ｂが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、第１及び第２金属セパレータ５２、５４は、それぞれの絶縁部材５８ａ、６２ａの外周に一方のセパレータ金属面を露呈させて金属露出面５６ｂ、６０ｂが設けられている。

従って、第１及び第２金属セパレータ５２、５４の特定の部位に、腐食電流が集中することを阻止することができ、簡単且つコンパクトな構成で、前記第１及び第２金属セパレータ５２、５４の耐久性の向上が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池７０の要部断面説明図である。

燃料電池７０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ７２及び第２金属セパレータ７４を備える。第１金属セパレータ７２は、金属薄板７６の一方の面に第１シール部材７８が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ７４は、金属薄板８０の一方の面に第２シール部材８２が一体に射出成形される。

第１シール部材７８は、金属薄板７６の内周面（セパレータ内周面）７６ａで折り返して一方のセパレータ金属面側に所定の距離だけ延在し絶縁部材７８ａを一体成形する。絶縁部材７８ａは、金属薄板７６の一方のセパレータ金属面を露出させ、冷却媒体供給連通孔２０ａを周回する金属露出面７６ｂを設ける。

第２シール部材８２は、金属薄板８０の他方のセパレータ金属面から前記金属薄板８０の内周面（セパレータ内周面）８０ａを周回して一方のセパレータ金属面側に折り返し、絶縁部材８２ａを一体に設ける。この絶縁部材８２ａは、金属薄板８０の一方のセパレータ金属面を露出させ、冷却媒体供給連通孔２０ａを周回する金属露出面８０ｂを設ける。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に構成されており、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、隙間が、各連通孔の全周にわたって設けられているが、これに限定されるものではない。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池９０の要部断面説明図である。

なお、燃料電池９０は、基本的に第１の実施形態に係る燃料電池１０を採用しているが、第２及び第３の実施形態に係る燃料電池５０、７０にも、同様に用いることができる。

燃料電池９０では、絶縁部材３３ａ、３５ａに切り欠き９２ａ、９２ｂが設けられており、各連通孔と金属露出面３２ｂ、３２ｃ及び３４ｂ、３４ｃとを連通している。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１００の要部断面説明図である。

燃料電池１００では、図８及び図９に示すように、絶縁部材３３ａ、３５ａに複数のスリット１０２ａ、１０２ｂが設けられており、各連通孔と金属露出面３２ｂ、３２ｃ及び３４ｂ、３４ｃとを連通している。

このように構成される第４及び第５の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、５０、７０、９０、１００…燃料電池
１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、５２、５４、７２、７４…金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２０ａ…冷却媒体供給連通孔 ２０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２２ａ…燃料ガス供給連通孔 ２２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２６…酸化剤ガス流路 ２８…冷却媒体流路 ３０…燃料ガス流路
３２、３４、５６、６０、７６、８０…金属薄板
３２ａ、３４ａ、５６ａ、６０ａ、７６ａ、８０ａ…内周面
３２ｂ〜３２ｅ、３４ｂ〜３４ｅ、５６ｂ、６０ｂ、７６ｂ、８０ｂ…金属露出面
３３ａ、３５ａ、５８ａ、６２ａ、７８ａ、８２ａ…絶縁部材
３３、３５、５８、６２、７８、８２…シール部材
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極 ４６…アノード電極側電極 ９２ａ、９２ｂ…切り欠き １０２ａ、１０２ｂ…スリット

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、積層方向に貫通して冷却媒体が流通する冷却媒体供給連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記金属セパレータには、前記冷却媒体供給連通孔を形成するセパレータ内周面を周回し、且つ前記内周面から前記金属セパレータの前記積層方向を臨む第１金属面の一部及び前記第１金属面の反対面となる第２金属面の一部を含むように被覆する絶縁部材が設けられるとともに、
   前記絶縁部材の外周には、前記冷却媒体供給連通孔を周回して前記第１又は第２金属面のうち少なくとも一方を露出させた金属露出面が設けられ、
   前記絶縁部材は、前記金属露出面と前記冷却媒体供給連通孔とを連通させ、前記絶縁部材自体に設けられる連通部を有する、又は前記冷却媒体供給連通孔の全周にわたって前記金属露出面と前記冷却媒体供給連通孔とを連通させる隙間を形成することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータには、絶縁性を有し前記金属露出面の外周を周回するシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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