JP6275541B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。

高分子電解質型燃料電池スタックは、プロトン伝導性の高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に配置された貴金属触媒を含む燃料極及び酸化剤極と、各電極の背面に配置された反応ガス流路及び冷却水流路を有するセパレータとからなる単セル電池を積層した積層体を備えている。マニホールドから反応ガスとして燃料ガス及び酸化剤ガス、並びに冷却水が各単セル電池に供給される。単セル電池の積層体で発電した電力を取り出すために、積層体の両端に電気伝導性の集電板が配置される。集電板には外部に電気を取り出すための電流線が取り付けられる。

集電板には導電性が必要であるため、通常はカーボン板あるいは金属板が用いられる。カーボン板は、単セル電池との接触抵抗が高いこと及び価格が高いことが問題である。一方、金属板では初期の接触抵抗は低く抑えられるものの、長期運転によって表面に酸化物が形成され、接触抵抗が高くなっていく問題がある。金属板は低価格であるので、金属板を使いこなすことが燃料電池スタックの低価格化のために必要である。

金属製の集電板の酸化は水への接触により促進される。マニホールド、とりわけ冷却水マニホールド内の水に集電板が暴露されることにより、あるいはマニホールド内の水が部品間の隙間を通って集電板に到達することにより、集電板に水が接触する。また、セパレータが水透過性である場合には、セパレータを透過した水が、集電板に水が接触する。集電板に水が接触すると酸化物が形成され、セパレータと集電板の接触面での抵抗が増大し、また、燃料電池スタックの長期耐久性を損なう。とりわけ、積層体外部（側面）にマニホールドを配置した方式（外部マニホールド方式）を適用した燃料電池スタックにおいては、集電板への水の侵入を防止する技術が十分に確立されていない。

特開２０１１−２２２５２６号公報 特開２００９−１２３４４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、金属製の集電板を用いた外部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、集電板が酸化されることを防止して、長時間安定に運転可能とする燃料電池スタックを提供することである。

本発明の一実施形態の燃料電池スタックは、単セル電池を複数積層した積層体と、積層体の両端に配置された締め付け板と、積層体の外側面に配設され、セパレータの冷却水流路に冷却水を導入するためのマニホールドとを備える。
単セル電池は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、これらの電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路並びに冷却水流路を有する一対のセパレータとから構成される。
集電板が、締め付け板の積層体を向いた面に形成された窪みの中に配置されており、窪みの内周壁面により集電板の外周面が囲まれている。
集電板とこの集電板に最も近いセパレータとの間に水不透過性のカーボン板が配置されている。このカーボン板は、積層体の積層方向で見たときに、集電板の積層体を向いた面の全体を覆っている。
さらに、締め付け板とカーボン板との間の隙間をシールするシール材が設けられている。

実施形態の燃料電池スタックの全体の外観を示す斜視図。 図１の燃料電池スタックの内部構造を説明する分解斜視図。 図１の燃料電池スタック内部の流体の流れを説明する概略横方向断面図。 集電板付近の構造を示す断面図であって、図１におけるＩＶ−ＩＶ断面を示す図。 クッション材を設けない場合を説明するための図４と同一断面を示す図。 一端の冷却水流路の構成を示す概略断面図。 他端の冷却水流路の構成を示す概略断面図。

本発明の実施形態について以下に図面を参照して説明する。

まず、燃料電池スタックの全体構成について、全体の外観を示す斜視図である図１、並びに内部構造を説明する分解斜視図である図２を参照して説明する。実施形態の燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池スタックである。

燃料電池スタックは積層された複数の単セル電池１０を備えている。各単セル電池１０は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１１と、膜電極複合体１１の両側に配置された酸化剤セパレータ１２及び燃料・冷却水セパレータ１３とから構成されている。膜電極複合体１は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極（燃料極及び酸化剤極）とから構成されている。高分子電解質膜及び電極の個別的な図示は省略している。

酸化剤セパレータ１２の表面には酸化剤ガス流路１４が設けられている。燃料・冷却水セパレータ１３の膜電極複合体１１と接する側の表面には燃料ガス流路１５が設けられ、もう一方の表面には冷却水流路１６が設けられている。なお、燃料ガス流路１５は、図２では見えないが、説明の便宜上参照符号を付している。

積層体の両側には、絶縁性の締め付け板（エンドプレートとも呼ばれる）１７が配置されている。締め付け板１７は、例えばエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの耐熱性樹脂材料からなる。締め付け板１７の積層体を向いた面の電池反応部分に対応する領域に窪み１９が設けられている。

締め付け板１７の四隅には突起２０が設けられている。突起２０の中央部に設けられた孔に通された締付スタッド２１により、両端の締め付け板１７が締め付けられ、これにより、締め付け板１７の間にある単セル電池１０の構成部品が締め付けられる。

締め付け板１７の窪み１９内には金属製、例えばステンレス製の、平板からなる集電板６０が配置されている（図４も参照）。窪み１９の中央には開口部２２が設けられている。積層体が発電した電流を外部に取り出すための電力線２３（図４のみに概略的に示す）が、開口部２２を通って集電板６０に接続される。締め付け板１７の側面には、マニホールド固定用のネジ孔２３が複数個設けられている。

集電板６０とこの集電板６０に最も近い位置にあるセパレータ（例えば、積層体の一端側では酸化剤セパレータ１２であり、積層体の他端側では燃料・冷却水セパレータ１３である）との間には、水不透過性のカーボン板７０が設けられている。燃料電池スタックの組み立てを容易にするために、カーボン板７０と、当該カーボン板７０に隣接するセパレータ（１２または１３）とを、予め、導電性接着剤等により貼り合わせておいてもよい。

締付スタッド２１の締め付けにより締め付け板１７間の単セル電池１０の構成部品を相互に密接させ、さらに外部マニホールド（３０〜３３）を取り付けると図１に示す状態となる。単セル電池１０の積層体の４つの側面には、外部マニホールドとして、酸化剤入口・冷却水出口マニホールド３０、酸化剤出口・冷却水入口マニホールド３１、燃料入口マニホールド３２、燃料出口マニホールド３３がそれぞれ配置されている。

マニホールド３０、３１、３２、３３の締め付け板１７に対向する部分に段差３４が設けられている。段差３４には長孔があり、長孔を介してボルト３５によりマニホールド３０〜３３が締め付け板１７に固定されている。

図２に示すように、酸化剤セパレータ１２の表面に設けられた酸化剤ガス流路１４の端部はセパレータ側面に開口している。燃料・冷却水セパレータ１３の一方の表面に設けられた燃料ガス流路１５及び他方の表面に設けられた冷却水流路１６は、セパレータ側面に開口している。

図３に示すように、酸化剤入口・冷却水出口マニホールド３０は、その内部で、酸化剤入口マニホールド３０ａと冷却水出口マニホールド３０ｂとに区画されている。同様に、酸化剤出口・冷却水入口マニホールド３１は、酸化剤出口マニホールド３１ａと冷却水入口マニホールド３１ｂとに区画されている。

酸化剤ガス流路１４は酸化剤入口マニホールド３０ａ及び酸化剤出口マニホールド３１ａと連通している。燃料ガス流路１５は燃料入口マニホールド３２及び燃料出口マニホールド３３と連通している。冷却水流路１６は冷却水入口マニホールド３１ｂ及び冷却水出口マニホールド３０ｂと連通している。

また、酸化剤入口マニホールド３０ａは酸化剤入口５０と連通し、酸化剤出口マニホールド３１ａは酸化剤出口５１と連通し、燃料入口マニホールド３２は燃料入口５２と連通し、燃料出口マニホールド３３は燃料出口５３と連通し、冷却水入口マニホールド３１ｂは冷却水入口５４と連通し、冷却水出口マニホールド３０ｂは冷却水出口５５と連通している。これにより、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜電極複合体に供給及び排出し、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱の冷却を行うように構成されている。

図３では、燃料ガス流路１５内の燃料の流れが点線矢印で、酸化剤ガス流路１４内の空気（酸化剤ガス）の流れが破線矢印で、冷却水流路１６内の冷却水の流れが実線矢印で、それぞれ記載されている。なお、図３において上記の入口及び出口（５０〜５５）は、説明の便宜のため、実際の位置（図１を参照）とは異なる位置に表示している。

各マニホールド３０〜３３は、ガス不透過性と電気絶縁性を有する材料、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂から形成される。マニホールドは積層体側を開口部とした箱状の形状である。マニホールドの開口部と積層体の間には絶縁性のシール材３６が挿入されている。

次に、特に図４を参照して、締め付け板１７、集電板６０、カーボン板７０、当該カーボン板７０に隣接するセパレータ（１２または１３）及びその周辺の構成について詳細に説明する。なお、図４では、図面の見やすさ及び説明の便宜を図るため、肉厚の薄い部品の肉厚が大きく表示されていることに注意されたい。

図２にも示したように、締め付け板１７の積層体を向いた面には窪み１９が形成されており、この窪み１９の中に金属製の平板からなる集電板６０が収容されている。従って、集電板６０の外周面（側周面）６１は窪み１９の内周壁面（側壁面）１９ａにより囲まれている。

集電板６０上に、セパレータ１２（１３の場合もあるが、以下の説明では便宜状１２とする）と同じ平面形状を有するカーボン板７０が接している。なお、締め付け板１７の周縁部にある押圧面１７ａ（カーボン板７０を押し付ける面）の外周輪郭も、セパレータ１２及びカーボン板７０の外周輪郭と同じである。

図３には、図２に示されていないクッション材９１，９２が表示されている。クッション材９１は、窪み１９の底面１９ｂと集電板６０との間に挟まれている。クッション材９２は、締め付け板１７の押圧面１７ａとセパレータ１２との間に挟まれている。クッション材９１，９２は、中央に穴を有する矩形の部材である。クッション材９１の外周輪郭は集電板６０の外周輪郭と同じであり、クッション材９１の内周輪郭は締め付け板１７の開口部２２の内周輪郭と同じである。クッション材９２の外周輪郭はカーボン板７０の外周輪郭と同じであり、クッション材９２の内周輪郭は集電板６０の外周輪郭と同じである。

例えば、クッション材９１，９２が無い場合に窪み１９の深さと集電板６０との厚さが許容範囲以上に異なると、カーボン板７０あるいはセパレータ１２が剪断力で破壊する恐れがある。クッション材９１，９２を設けることにより、このような剪断力を低減することができる。

なお、剪断力の大きさは部品の寸法（厚さ）精度等により影響を受けるので、剪断力を小さく抑制することができるなら、クッション材９１，９２を必ずしも設ける必要はない。クッション材９１，９２を廃した例が図５に示されている。ここでは、締め付け板１７とカーボン板７０とが直接接触している。

カーボン板７０を構成するカーボン材料は、（１）各単セル電池１０で発電された電流を集電板６０に伝えるに十分な導電性を有すること、（２）水または水蒸気環境下において腐食しないこと（金属のように錆びないこと）、（３）当該カーボン板７０を通過して金属製の集電板６０に水分が侵入することのないように水不透過性であることという要求を満たす材料である。「水不透過性」という性質は、炭素系材料の技術分野で「緻密カーボン」と呼ばれるものが通常有している。

カーボン板７０が仮に水透過性であった場合にカーボン板７０を通過して金属製の集電板６０に水が侵入するという事象には、（ａ）セパレータ１２が水透過性である場合に、水が、セパレータ１２とカーボン板７０との接触面からカーボン板７０の内部に浸透し、カーボン板７０を板厚方向に透過して集電板６０に至ること、並びに、（ｂ）セパレータ１２が水透過性であるか否かに関わらず、マニホールド３０〜３３、特に冷却水が通るマニホールド３０ｂ、３１ｂ内の水が横方向（厚さ方向と直交する方向）にカーボン板７０の内部に浸透し、集電板６０に至ること、がありうる。カーボン板７０を水不透過性とすることにより、上記の事象（ａ）、（ｂ）のいずれの事象も防止することができる。

なお、特にカソード側の端部においては、この燃料電池スタックの構成部材と冷却水との間に数十ボルトの電位差が生じうるので、カーボン板７０自体にも耐食性が要求される。従って、カーボン板７０を構成するカーボンはグラファイト化（黒鉛化）されたカーボンであることがより好ましい。

締付スタッド２１（図１参照）の締め付けを行うことにより、この締め付け力により、締め付け板１７、集電板６０、カーボン板７０及びセパレータ１２は互いに密接する。この状態において、集電板６０への水の侵入可能経路は、図４においてクッション材９２が設けられている領域における、締め付け板１７とカーボン板７０との間の隙間（一点鎖線で囲まれている）である。図５に示すように締め付け板１７とカーボン板７０とを直接接触させる場合も同じことが言える。

長期の運転においても信頼性を確保するため、この隙間からの集電板６０への水の侵入を防止することが望ましい。このため、図４及び図５に示すように、締め付け板１７とカーボン板７０との間の隙間のマニホールド３０〜３３（特に冷却水マニホールド３０ｂ、３１ｂ）内に露出している部分にコーキング材９３が施されている。これにより、上記隙間の入口部分がシールされ、集電板６０への水の侵入が防止される。コーキング材９３には、ポリウレタン材、シリコンシール材を用いることができる。

図４の構成の場合、水をシールする性質をクッション材９２が有しているならば、クッション材９２を締め付け板１７とカーボン板７０との間の隙間全体をシールするシール材として用い、コーキング材９３を省略することも可能である。しかしながら、水をシールする性質を有するクッション材９２とコーキング材９３とを併用することも可能である。

上記実施形態においては、カーボン板７０は、当該カーボン板７０と隣接するセパレータ１２と同じ平面形状を有していたが、これには限定されない。単セル電池１０の積層方向で見て集電板６０の全面がカーボン板７０に覆われている限りにおいて、カーボン板７０の平面形状を当該カーボン板７０と隣接するセパレータ１２よりも小さくしてもよい。例えば、カーボン板７０の平面形状を集電板６０と同じにしてもよい。あるいは、カーボン板７０の平面形状を集電板６０より大きくセパレータ１２よりも小さい平面形状とすることも可能である。この場合、カーボン板７０を小さくした分だけ、締め付け板１７を大きくすればよい。このようにすることにより、高価な水不透過性のカーボン板７０の材料費を低減することができる。しかしながら、部材の厚さ精度が低くなった場合にセパレータの剪断破壊が生じる可能性が高くなり、また、部材間の隙間のシールが複雑となるため、図４に図示した形態の方が好ましい。

なお、実際の製造においては、隣接する酸化剤セパレータ１２及び燃料・冷却水セパレータ１３を予め貼り合わせておく場合も多い。図２の図中最も右側に位置する酸化剤セパレータ１２にも燃料・冷却水セパレータ１３が貼り付けられているとすると、その燃料・冷却水セパレータ１３にある冷却水流路１６を流れる冷却水は冷却に有効に寄与するが、燃料ガス流路１５を流れる燃料ガスは反応に寄与せず無駄になり、このことは燃料電池スタックの効率の低下にも繋がる。

そこで、図２の図中最も右側に位置する酸化剤セパレータ１２は燃料・冷却水セパレータ１３と貼り合わせないものとし、図６に示すように、酸化剤セパレータ１２を直接、カーボン板７０に接触させるものとする。この場合、燃料・冷却水セパレータ１３の冷却水流路１６の代わりに、カーボン板７０の酸化剤セパレータ１２を向いた面に冷却水流路をなす溝７１を彫り込む。これにより同様の冷却能力を確保することができる。

同様の問題（無駄なガスの流れ）が図２の図中最も左側に位置するセパレータ１２，１３においても生じる。そこで、図２の図中最も左側に位置する燃料・冷却水セパレータ１３は酸化剤セパレータ１２と貼り合わせないものとし、図７に示すように、燃料・冷却水セパレータ１３を、直接、カーボン板７０に接触させるものとする。この場合、燃料・冷却水セパレータ１３の冷却水流路１６がそのまま使用できるので、カーボン板７０の燃料・冷却水セパレータ１３を向いた面は平坦でよい。

なお、酸化剤セパレータ１２及び燃料・冷却水セパレータ１３を予め貼り合わせない場合でも、上記と同様の理由により、図２の図中最も左側に位置するセパレータをセパレータ１３とし、このセパレータ１３に接触させるカーボン板７０のセパレータ１３との接触面に冷却水流路をなす溝７１を彫り込み、また、図２の図中最も右側に位置するセパレータをセパレータ１２とし、このセパレータ１２に接触させるカーボン板７０のセパレータ１２との接触面を平坦面とすることが好ましい。

上記のいずれの場合でも、燃料電池スタックの組立性の向上のため、カーボン板７０とそれに接触するセパレータ（１２または１３）を予め導電性接着材で貼り合わせておいてもよい。

上記の実施形態によれば、集電板６０への水の接触を防止することができる。このため、集電板６０が酸化されることが防止され、燃料電池スタックを長時間安定的に運転することが可能となる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、金属製の集電板を用いた外部マニホールド方式の燃料電池スタックにおいて、集電板が酸化されることを防止して、長時間安定に運転可能とする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 単セル電池
１１ 膜電極複合体（高分子電解質膜及び一対の電極）
１２，１３ セパレータ
１４，１５，１６ セパレータの流路
１７ 締め付け板
１９ 窪み
１９ａ 窪みの内周壁面
３０、３１，３２，３３ マニホールド
３０ｂ、３１ｂ 冷却水マニホールド
６０ 集電板
６１ 集電板の外周面
７０ カーボン板
７１ 冷却水流路をなす溝
９２ クッション材（シール材）
９３ シール材（コーキング材）

Claims (6)

1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路並びに冷却水流路を有する一対のセパレータとから構成される単セル電池を複数積層した積層体と、
   前記積層体の両端に配置された締め付け板と、
   前記積層体の外側面に配設され、前記セパレータの冷却水流路に冷却水を導入するためのマニホールドと、
   前記締め付け板の前記積層体を向いた面に形成された窪みの中に配置され、当該窪みの内周壁面によりその外周面が囲まれている金属製の集電板と、
   前記集電板と前記集電板に最も近いセパレータとの間に配置され、前記積層体の積層方向で見たときに、前記集電板の前記積層体を向いた面の全体を覆う水不透過性のカーボン板と、
   前記締め付け板と前記カーボン板との間の隙間をシールするシール材と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記セパレータは水透過性である、請求項１記載の燃料電池スタック
3. 前記カーボン板は前記締め付け板の外周面まで延びている、請求項１または２記載の燃料電池スタック。
4. 前記シール材は、前記締め付け板と前記カーボン板との間の隙間のうちの前記マニホールドの内部空間に面している部分を覆うコーキング材である、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記シール材は、前記締め付け板と前記カーボン板との間に挟まれたシール部材である、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記積層体の一端側にある前記カーボン板は、前記セパレータに接する面に冷却水流路をなす溝が形成されている、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

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