WO2005099019A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

　本発明は、メタルセパレータの耐腐食性の向上と低コスト化を両立できる燃料電池スタックを提案することを課題とする。かかる課題を解決するため本発明の燃料電池スタックは、電解質膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セルを所定数積層したセルスタックを備えており、セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施している。全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、低コスト化を実現できる。

Description

明細書 燃料電池スタック 技術分野

本発明は燃料電池スタックの耐腐食構造に関し、 特に、 メタルセパレータ やターミナルプレートの耐腐食性の向上と低コスト化の両立を図る改良技術 に関する。 背景技術

固体高分子型燃料電池スタックは、 固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ アノード極と力ソード極を対向配置し、 更にその外側を一対のセパレータで 挟持してなる単セルを所定数積層したスタック構造を成している。 ステンレ ス等のメタルセパレータを用いる場合、 メタルセパレータが高温で酸化性の 雰囲気に曝されるため、 長時間使用すると金属の腐食や溶解が生じる。 メタ ルセパレータが腐食すると、 溶出した金属イオンが固体高分子電解質膜に拡 散し、 イオン交換サイトにトラップされて固体高分子電解質膜自体のイオン 導電性が低下する。 また、 メタルセパレータの穴あきによる反応ガスの漏出 や、 シールラインを侵食することによる冷却水の漏出などが生じる。 このよ うな不都合を回避するため、 特開 2 0 0 0— 2 1 4 1 8号公報には、 導電性 セパレータの表面を酸性雰囲気に不活性な金属層、 例えば、 金又は銀で表面 処理 （メツキ処理） する技術が提案されている。

また、 固体高分子型燃料電池スダックは、 固体高分子電解質膜の両面にそ れぞれァノード極とカソード極を対向配置し、 更にその外側を一対のセパレ 一タで挟持してなる単セルを所定数積層したスタック構造を成しており、 ス タック両端部には電力取り出し用の一対のターミナルプレートが配置されて いる。 プラス側のターミナルプレートには酸ィ匕電流が流れるため、 ターミナ ルプレートに加湿ガス又は冷却水が触れるとターミナルプレートは腐食する 虞がある。 ターミナルプレートの耐腐食性を高めるためのスタック構造とし て、 従来から各種のスタック構造が研究されており、 例えば、 特開 2 0 0 3 - 1 6 3 0 2 6号公報にはターミナルプレートの冷却水路内側にェンドブレ 一トの材料である榭月旨が嵌合してインサートする構成をとることにより加湿 ガスや冷却水がターミナルプレートに直接触れないように構成したスタック 構造が提案されている。

[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 0— 2 1 4 1 8号公報

[特許文献 2 ] 特開 2 0 0 3— 1 6 3 0 2 6号公報 発明の開示

しかし、 燃料電池スタックを構成する全てのメタルセパレータについて、 金又は銀などの貴金属で表面処理を行うと、 製造コストが高くなる。

また、 特開 2 0 0 3— 1 6 3 0 2 6号公報に記載のスタック構造では、 プ ラス側とマイナス側の両方のターミナルプレートを冷却水通路が貫通する構 成となっているため、 両方のターミナルプレートに腐食対策を講じなければ ならず、 製造コストが高くなる。

本発明は、 上記の問題点に鑑みてなされたもので、 本発明の目的の一つは、 低コストで耐腐食性の高いスタック構造を備えた燃料電池スタックを提案す ることにある。

本発明の他の目的は、 メタルセパレータの耐腐食性の向上と低コスト化を 両立できる燃料電池スタックを提案することにある。

本発明の更に他の目的は、 ターミナルプレートの耐腐食性向上と低コスト 化を両立できる燃料電池スタックを提案することにある。

上記の目的を達成するため、 本発明の燃料電池スタックは、 単セルを複数 積層して成るセルスタックを備えた燃料電池スタックであって、 セルスタツ クのマイナス側よりもプラス側の方が耐腐食性の高いスタック構造を備えて いる。 還元電流が流れるマイナス側よりも腐食を進行させ易い酸化電流が流 れるプラス側に配置されているセルスタックの耐腐食性を高くすることで、 両極に同等の腐食対策を講じるよりも、 低コストで且つ耐腐食性の高いスタ ック構造を備えた燃料電池スタックを提供できる。

ここで、 単セルは、 電解質膜の両面をァノード極とカソード極で挟持し更 にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成り、 スタック構造は、 セ ルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりも、 プラス側に位 置するメタルセパレータに対して、 相対的に耐腐食性の高い表面処理が施さ れているのが好ましい。 かかる構造によれば、 全てのメタルセパレータに同 程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比べて、 遜色のない耐腐食性を維持 しつつ、 低コス ト化を実現できる。

本発明の燃料電池システムにおいて、 セルスタックの両端部のそれぞれに 〖ま、 プラス極のターミナルプレートと、 マイナス極のターミナルプレートが 配置され、 スタック構造は、 マイナス極のターミナルプレート側に位置する メタルセパレータよりも、 プラス極のターミナルプレートが位置するメタル セパレータに対して、 相対的に耐腐食性の高い表面処理を施してもよい。 耐腐食性の表面処理は、 セルスタックを冷却するための冷却水、 又はセル スタックに供給される反応ガスに含まれる水分がメタルセパレータに触れる 部位に施されているのが好ましい。 水分が触れる箇所は、 腐食が進行し易い ので、 冷却水又は水分が触れる部位を重点的に耐腐食性の表面処理をするこ とで、 耐腐食性の高いスタック構造を備えた燃料電池スタックを低コストで 提供できる。

ここで、 冷却水がメタルセパレータに触れる部位は、 例えば、 冷却水マ二 ホールドが形成されている部位であり、 反応ガスに含まれる水分がメタルセ パレータに触れる部位は、 例えば、 ガスチャンネルが形成されている部位で ある。

耐腐食性の表面処理としては、 例えば、 貴金属を用いたメツキ処理、 又は 厚膜のメツキ処理等が好適である。

耐腐食性の表面処理は、 セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパ レータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して、 次第に高くな るように施されているのが好ましい。

耐腐食性の表面処理は、 所定の閾値以上の酸化電流が流れるメタルセパレ ータに施すのが好ましい。 酸化電流が多く流れる箇所は、 腐食が進行し易い ので、 当該箇所を重点的に耐腐食性処理することで、 耐腐食性の高いスタツ ク構造を備えた燃料電池スタックを低コストで提供できる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、 スタック構造は、 セルスタックの内 部を貫通して反応ガス又は冷却水を供給又は排出する流体通路を備え、 流体 通路は、 セルスタックの両端に配置された一対のターミナルプレートのうち マイナス側のターミナルプレートのみ貫通して入口ポート又は出口ポートに 連通するように構成してもよい。 プラス側のターミナルプレートには酸化電 流が流れるため、 流体通路を流れる冷却水又は反応ガスの水分がプラス側の ターミナルプレートに触れないように構成することで、 ターミナルプレート の耐腐食性を向上できる。 また、 還元電流が流れるマイナス側のターミナル プレートよりも酸化電流が流れるプラス側のターミナルプレートの腐食対策 をより強化することにより、 両極に腐食対策を講じるよりも低コストである。 ここで、 一対のターミナルプレートのうちプラス極のターミナルプレート とセルスタックとの間に水分透過を遮断する遮断プレートを介揷するのが好 ましい。 還元電流が流れるマイナス側のターミナルプレートよりも酸化電流 が流れるプラス側のターミナルプレートへの水分接触をより重点的に抑制す ることで、 耐腐食性向上と低コスト化を両立できる。 図面の簡単な説明

図 1は実施形態 1の燃料電池スタックの説明図である。

図 2は実施形態 1のメタルセパレータの説明図である。

図 3は実施形態 2の燃料電池スタックの説明図である。

発明を実施するための最良の形態

発明の実施形態 1

本実施形態の燃料電池スタックは、 セルスタックのマイナス側に位置する メタルセパレータよりもプラス側に位置するメタルセパレータに対して相対 的に耐腐食性の高い表面処理を施している。 セルスタックのプラス側端部に 介揷された数枚のメタルセパレータの冷却水通路には酸化電流が流れ、 しか も、 プラス側端部で局所的に酸化電流が急増する。 メタルセパレータの電気 的な腐食はセルスタックのプラス側端部でのみ発生し易いため、 メタルセパ レータの腐食対策は、 主として、 プラス側端部に重点をおく必要がある。 セ ルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプラス側に位置 するメタルセパレータに対して相対的に耐腐食性の高い表面処理を施すこと で、 全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理をする場合に比 ベて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、 低コスト化を実現できる。

(実施例 1 )

図 1は本実施例の燃料電池スタック 1 0の説明図である。 同図 （a ) に示 すように、 燃料電池スタック 1 0は電解質膜の両面をアノード極と力ソード 極で挟持し更にその外側を一対のメタルセパレータで挟持して成る単セル 2 0を直列に所定数積層したセルスタック 2 1を備えている。 セルスタック 2 1の両端部には電力取り出し用の一対のターミナルプレート 3 1 , 3 2が配 置されている。 ターミナルプレート 3 1， 3 2の外側は絶縁プレート 4 1， 4 2を介して一対のエンドプレート 5 1 , 5 2によって挟装されている。 セ ルスタック 2 1の内部に貫設された冷却水路 （図示せず） にはプラス側端部 において局所的に酸化電流が流れる （同図 （b ) )。 酸化電流はセルスタック 2 1のプラス側端部で急増する。 セルスタツク 2 1のうち所定の閾値以上の 酸化電流が流れる部位 P Aには耐腐食性の表面処理が施されたメタルセパレ 一タが介挿され、 閾値未満の酸化電流が流れる部位 P Bには耐腐食性の表面 処理が施されていないメタルセパレータが介挿されている。 閾値としては、 メタルセパレ タの耐腐食性向上と低コスト化の両立を図る観点から適度な 電流値に設定するのが望ましいが、 酸化電流はセルスタック 2 1の一部での み局所的に流れるため、 少しでも酸化電流が流れる部位に耐腐食性表面処理 済みのメタルセパレータを介挿してもよい。

図 2はメタルセパレータ 6 0の平面図である。 耐腐食性の表面処理を施す 部位としては水分が触れる箇所が望ましい。 例えば、 冷却水入口マ二ホール ド 6 1、 冷却水出口マ二ホールド 6 2、 及ぴ冷却面 6 3などの部位に耐腐食 性の表面処理を施すのがよい。 メタルセパレータ 6 0に触れる水分は、 単セ ル 2 0を冷却するための冷却水だけでなく、 単セル 2 0に供給される反応ガ ス （燃料ガス、 酸化ガス） が電池反応をすることによって生じた生成水や、 結露等で生じた結露水なども含まれるため、 反応ガスの入口マ二ホールド、 出口マ二ホールド、 及ぴガスチャンネルなどにも耐腐食性の表面処理を施す のが望ましい。 また、 メタルセパレータ 6 0のうち水分が触れる箇所には耐 腐食性の高い表面処理を施し、 水分が触れない箇所には耐腐食性の低い表面 処理を施すようにしてもよい。 耐腐食性の高い表面処理としては、 例えば、 金又は銀などの貴金属を用いたメツキ処理や、 厚膜のメツキ処理などがある。 耐腐食性の低い表面処理としては、 例えば、 薄膜のメツキ処理などがある。 本実施例によれば、 閾値以上の酸化電流が流れる部位 P Aのみに耐腐食性 表面処理が施されたメタルセパレータ 6 0を介挿しているため、 セルスタツ ク 2 1を構成する全てのメタルセパレータ 6 0に耐腐食性の表面処理をする 場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、 低コスト化を実現できる。

(実施例 2 )

本実施例では閾値以上の酸化電流が流れる部位 P Aに耐腐食性の高い表面 処理を施したメタルセパレータ 6 0を介挿し、 閾値未満の酸化電流が流れる 部位 P Bに耐腐食性の低い表面処理を施したメタルセパレータ 6 0を介挿し ている。 同一の部位 P A (又は部位 P B ) 内に介挿されるメタルセパレータ 6 0に施される表面処理の耐腐食性の程度は同程度でもよいが、 セルスタツ ク 2 1のマイナス側からプラス側にかけて次第に耐腐食性の程度が高くなる ようにしてもよい。

本実施例によれば、 メタルセパレータ 6 0に施される表面処理の耐腐食性 の程度をセルスタック 2 1の位置 （又は酸化電流の大きさ） に応じて変えて いるため、 セルスタック 2 1を構成する全てのメタルセパレ一タ 6 0に耐腐 食性の表面処理をする場合に比べて遜色のなぃ耐腐食性を維持しつつ、 低コ スト化を実現できる。 発明の実施形態 2

図 1は本実施形態の燃料電池スタックの説明図である。 同図 （a ) に示す ように、 燃料電池スタック 1 1は、 電解質膜を一対の電極で挟持し、 更にそ の外側を一対の導電性セパレータで挟持してなる単セル 2 0を複数積層して なるセルスタック 2 1を備えている。 セルスタック 2 1の内部には単セル 2 0に反応ガス （燃料ガス、 酸化ガス） 又は冷却水を供給する流体供給通路 7 1と、 単セル 2 0の電池反応に供した反応ガス又は単セル 2 0との間で熱交 換を行った冷却水を排出する流体排出通路 7 2が貫設されている。 セルスタ ック 2 1の両端部には電力取り出し用の一対のターミナルプレート 3 1， 3 2が配置されている。 ターミナルプレート 3 1， 3 2の外側は絶縁プレート 4 1， 4 2を介して一対のエンドプレート 5 1 , 5 2によって挟装されてい る。 燃料電池スタック 1 0のマイナス側のエンドプレート 5 1には、 流体供 給通路 7 1の入口ポート 7 1 aと、 流体排出通路 7 2の出口ポート 7 2 aが 形成されている。

尚、 反応ガス供給通路及び冷却水供給通路と、 反応ガス排出通路及び冷却 水排出通路はそれぞれ異なる流体通路であるが、 説明の便宜上、 前者を流体 供給通路 7 1と総称し、 後者を流体排出通路 7 2と総称する。 また、 流体供 給通路 7 1と流体排出通路 7 2を区別する必要がない場合には単に流体通路 7 1， 7 2と総称する。.

流体通路 7 1 , 7 2は一対のターミナルプレート 3 1 , 3 2のうちマイナ ス極のターミナルプレート 3 1のみ貫通して入口ポート 7 1 a及び出口ポー' ト 7 2 aに連通しており、 プラス極のターミナルプレート 3 2には流体通路 7 1， 7 2の入口ポート及び出口ポートは形成されていない。 かかる構成に より、 流体通路 7 1， 7 2を流れる冷却水、 又は電池反応等で生じた反応ガ ス中の水分がプラス極のターミナルプレート 3 2に触れるのを防止できる。 ターミナルプレート 3 2への水分の接触をより効果的に抑制するには、 ター ミナルプレート 3 2とセルスタック 2 1 との間に水分透過を遮断する遮断プ レート 8 0を介挿するのが望ましい。 遮断プレート 8 0としては、 セルスタ ック 2 1とターミナルプレート 3 2とを電気的に接続することができ、 且つ 水分透過を遮断できるプレートであれば、 特に限定されるものではなく、 例 えば、 導電プレート等が好適である。

同図 （b ) に示すように、 マイナス極のターミナルプレート 3 1とその付 近の単セル 2 0には還元電流が局所的に流れるのに対して、 プラス極のター ミナルプレート 3 2とその付近の単セル 2 0には酸化電流が局所的に流れる。 酸化電流が多く流れるプラス極のターミナルプレート 3 2に水分が触れると 腐食が進行し易くなるため、 ターミナルプレート 3 1， 3 2の腐食対策とし ては、 主として、 プラス側に重点をおく必要がある。 上述の構成によれば、 燃料電池スタック 1 0の両極 （プラス側、 マイナス側） をそれぞれ同程度に 腐食対策を講じるのではなく、 より腐食し易いプラス側の腐食対策に重点を おくことで、 ターミナルプレートの耐腐食性向上と低コスト化を両立できる。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 全てのメタルセパレータに同程度の耐腐食性の表面処理 をする場合に比べて遜色のない耐腐食性を維持しつつ、 低コスト化を実現で さる。

本発明によれば、 流体通路を流れる冷却水又は反応ガスの水分がプラス側 のターミナルプレートに接しないように構成することで、 ターミナルプレー トの耐腐食性向上と低コスト化を実現できる。

Claims

請求の範囲

1 . 単セルを複数積層して成るセルスタックを備えた燃料電池スタックで あって、 前記セルスタックのマイナス側よりもプラス側の方が耐腐食性の高 いスタック構造を備えている、 燃料電池スタック。

2 . 請求項 1に記載の燃料電池スタックであって、 前記単セルは、 電解質 膜の両面をアノード極とカソード極で挟持し更にその外側を一対のメタルセ パレータで挟持して成り、 前記スタック構造は、 前記セルスタックのマイナ ス側に位置するメタルセパレータよりも、 プラス側に位置するメタルセパレ ータに対して、 相対的に耐腐食性の高い表面処理が施されている、 燃料電池 スタック。

3 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、 前記セルスタックの両 端部のそれぞれには、 プラス極のターミナルプレートと、 マイナス極のター ミナルプレートが配置され、 前記スタック構造は、 前記マイナス極のターミ ナルプレート側に位置するメタルセパレータよりも、 前記プラス極のターミ ナルプレートが位置するメタルセパレータに対して、 相対的に耐腐食性の高 い表面処理が施されている、 燃料電池スタック。

4 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、 前記耐腐食性の表面処 理は、 前記セルスタックを冷却するための冷却水、 又は前記セルスタックに 供給される反応ガスに含まれる水分が前記メタルセパレータに触れる部位に 施されている、 燃料電池スタック。

5 . 請求項 4に記載の燃料電池スタックであって、 前記冷却水が前記メタル セパレータに触れる部位は、 冷却水マ二ホールドが形成されている部位であ り、 前記反応ガスに含まれる水分が前記メタルセパレータに触れる部位は、 ガスチャンネルが形成されている部位である、 燃料電池スタック。

6 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、 前記耐腐食性の表面処 理は、 貴金属を用いたメツキ処理、 又は厚膜のメツキ処理である、 燃料電池 スタック。

7 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、 前記耐腐食性の表面処 理は、 前記セルスタックのマイナス側に位置するメタルセパレータよりもプ ラス側に位置するメタルセパレータに対して、 次第に高くなるように施され ている、 燃料電池スタック。

8 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、 前記耐腐食性の表面処 理は、 所定の閾値以上の酸化電流が流れるメタルセパレータに施されている、 燃料電池スタック。

9 . 請求項 1に記載の燃料電池スタックであって、 前記スタック構造は、 前 記セルスタックの内部を貫通して反応ガス又は冷却水を供給又は排出する流 体通路を備え、 前記流体通路は、 前記セルスタックの両端に配置された一対 のターミナルプレートのうちマイナス側のターミナルプレートのみ貫通して' 入口ポート又は出口ポートに連通している、 燃料電池スタック。

1 0 . 請求項 9に記載の燃料電池スタックであって、 前記一対のターミナル プレートのうちプラス極のターミナルプレートと前記セルスタックとの間に 水分透過を遮断する遮断プレートが介挿されている、 燃料電池スタック。