特許 6270694 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6270694

(24)【登録日】2018年1月12日

(45)【発行日】2018年1月31日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20180122BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20180122BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALN20180122BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20180122BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2465

   H01M8/0206

   !H01M8/0267

   !H01M8/10 101

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-231689(P2014-231689)

(22)【出願日】2014年11月14日

(65)【公開番号】特開2016-96033(P2016-96033A)

(43)【公開日】2016年5月26日

【審査請求日】2016年4月8日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】菅野 大輔

(72)【発明者】

【氏名】吉田 慎

(72)【発明者】

【氏名】芳住 知勇

(72)【発明者】

【氏名】森本 友

【審査官】 前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−３１１３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２９３８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２６８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８７７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２５４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２３４４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜電極接合体と該膜電極接合体を挟持するセパレータとを備える単セルを複数積層したセル積層体の両端に、ターミナルを配置してなる燃料電池スタックであって、
前記セル積層体における高電位側の前記セパレータと前記ターミナルとの間に配置され、前記セパレータより貴なる材料を表面に有する防錆プレートを備え、
前記防錆プレートと前記セパレータとは、周縁部で直接接触して導通しており、前記セパレータの前記周縁部の内側には、前記セル積層体内を流れる冷媒が流通し、前記防錆プレートは、流通する前記冷媒に接した状態である、燃料電池スタック。

【請求項2】

前記貴なる材料は、導電性且つ耐食性を有する請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記貴なる材料は、金、酸化イリジウム、酸化パラジウム及び酸化ルテニウムのうち少なくともいずれか１つの材料を含む請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記防錆プレートの材料は、チタンを含む請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

前記セパレータの材料は、チタンを含む請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【請求項6】

前記防錆プレートは、前記セル積層体のうち高電位側の個所と導通するように設けられている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとを積層したものから構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。

【0003】

セパレータは、発電領域において、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路と、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路と、冷媒を流すための冷媒流路を有する。セパレータは、非発電領域において、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドを有する。

【0004】

上記ＭＥＡとセパレータを重ねてセルモジュールを構成し、セルモジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、エンドプレート等を配置し、両端のエンドプレートをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート、テンションボルトなど）に締結し燃料電池スタックを構成する。

【0005】

固体高分子型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣のＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのアノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

【0006】

セパレータが金属製である場合、高電位側（＋側）の数セルの冷媒マニホールドで腐食が発生する。これは、積層したセルの冷媒マニホールドでは、例えばＳＵＳ系の場合、＋極側でＦｅイオンが溶出し、−極側でＯＨイオンが発生し、Ｆｅ（ＯＨ）２が生成するためであると推定される（図７参照）。また、腐食の発生量は腐食電流により示されるが、高電位側で腐食が発生すると推定される（図８参照）。腐食が進行するとセルのシール信頼性が低下する。また、冷媒の高導電率化によりスタック内で電気分解が発生するおそれがあり危険である。また、反応ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド）においても冷媒マニホールドで発生するのと同じメカニズムで腐食が発生するおそれがある。

【0007】

このようなセパレータの腐食の問題を解決することを意図して、犠牲部材を設けた燃料電池スタックが知られている（例えば下記特許文献１）。下記特許文献１には、セパレータと正極ターミナルとの間に、セパレータよりも卑な材料を使用した犠牲部材を配置することで、セパレータの腐食を抑制した燃料電池スタックが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００７−０８７７６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上記特許文献１に記載された燃料電池スタックには以下の問題点があった。すなわち、セパレータと正極ターミナルとの間に配置される犠牲部材にセパレータより卑な材料を用いているため、犠牲部材の腐食が進行しやすく、ひいてはセパレータに腐食が発生するおそれがあった

【0010】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セパレータに腐食が発生することを抑制することができる燃料電池スタックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体と該膜電極接合体を挟持するセパレータとを備える単セルを複数積層したセル積層体の両端に、ターミナルを配置してなる燃料電池スタックであって、前記セル積層体における高電位側の前記セパレータと前記ターミナルとの間に配置され、前記セパレータより貴なる材料を表面に有する防錆プレートを備える。

【0012】

本発明に係る燃料電池スタックでは、セル積層体における高電位側のセパレータとターミナルとの間に配置され、セパレータより貴なる材料を表面に有する防錆プレートを備える。このように防錆プレートの表面に貴なる材料が使用されることで、防錆プレートに流れる腐食電流を抑えることができ、防錆プレートの腐食の進行を抑制することができる。その結果、セパレータに腐食が発生することを抑制することができ、部材の腐食によるリーク等の不具合が生じることを抑えることができる。

【0013】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記貴なる材料は、導電性且つ耐食性を有することも好ましい。

【0014】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記貴なる材料は、金、酸化イリジウム、酸化パラジウム及び酸化ルテニウムのうち少なくともいずれか１つの材料を含むことも好ましい。

【0015】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記防錆プレートの材料は、チタンを含むことも好ましい。

【0016】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記セパレータの材料は、チタンを含むことも好ましい。

【0017】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記防錆プレートは、前記セル積層体のうち高電位側の個所と導通するように設けられていることも好ましい。

【0018】

また本発明に係る燃料電池スタックでは、前記防錆プレートは、前記セル積層体内を流れる冷媒に接するように設けられていることも好ましい。

【0019】

また本発明に係る燃料電池用防錆プレートは、膜電極接合体と該膜電極接合体を挟持するセパレータとを備える単セルを複数積層したセル積層体と、前記セル積層体の両端に配置されるターミナルとを備える燃料電池スタックに適用され、前記セル積層体における高電位側の前記セパレータと前記ターミナルとの間に配置される燃料電池用防錆プレートであって、前記セパレータより貴なる材料を表面に有する。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、セパレータに腐食が発生することを抑制することができる燃料電池スタックを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを説明するための分解斜視図である。

【図2】図１に示す燃料電池スタックの部分断面図である。

【図3】腐食電流について説明するためのグラフである。

【図4】腐食電流の減少結果について示すグラフである。

【図5】燃料電池スタックの概略構成を示す側面図である。

【図6】燃料電池スタックのセルの平面図である。

【図7】セパレータが金属製である場合に高電位側の数セルの冷媒マニホールドで腐食が発生する原因（推定）を示す断面図である。

【図8】従来の燃料電池スタックの、腐食電流―セパレータ位置ナンバーの関連を示すグラフである。なお、図中のａ．ｕ．は、単位が「任意の値」の意である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

【0023】

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態における燃料電池用防錆プレートを備えた燃料電池スタックについて説明する。図１は、燃料電池スタックを説明するための分解斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池スタックの部分断面図である。

【0024】

図１に示すように、燃料電池スタック１は、セル積層体１０と、ターミナル２０と、防錆プレート４０とを備える。なお、図１の例では、説明の便宜のため、燃料電池スタック１におけるセル積層体１０、ターミナル２０、防錆プレート４０のみを示しており、その他の部品については省略している。

【0025】

ターミナル２０は、セル積層体１０のセル積層方向両端に配置され、正極ターミナル２０ａと負極ターミナル２０ｂとからなる金属製の部材である。

【0026】

セル積層体１０は、図２に示すＭＥＡ（膜電極接合体）と当該ＭＥＡを挟持するセパレータ１８を含むセルモジュール１９（図５参照）を複数積層したものである。図５に示すように、セルモジュール１９（１セルモジュールの場合は、セル９（単セル）はセルモジュール１９と同じになる）を積層したセル積層体のセル積層方向両端に、正極ターミナル２０ａと負極ターミナル２０ｂとからなる金属製のターミナル２０の他、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタックを構成する。一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。

【0027】

ＭＥＡ（膜電極接合体）は、図２に示すようにイオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。

【0028】

セパレータ１８は、図２に示すように、メタルセパレータ（金属板）１８ａと樹脂フレーム１８ｂとの組合せからなる。メタルセパレータ１８ａの材料は、ＳＵＳ（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ）、Ｔｉ等である。メタルセパレータ１８ａは、不動態膜で覆われている。メタルセパレータ１８ａは、ターミナル２０と電気的に導通している。なお、メタルセパレータ（金属板）１８ａの材料としては例えばチタン（又はチタンを含む材料）が用いられる。

【0029】

セパレータ１８について更に説明する。セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路（図示略）が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路（図示略）が形成されている。また、図６に示すように、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、反応ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）３０ａ、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。反応ガスと冷媒は、積層された状態では、負極ターミナル２０ｂの孔から供給・排出される。燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、接着剤またはガスケット等のシール材で互いにシールされている。

【0030】

各セル９の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

【0031】

防錆プレート４０は、図１に示すように、セル積層体１０と正極ターミナル２０ａとの間に隣接して配置される部材である。防錆プレート４０は、メタルセパレータ１８ａよりも導電性且つ耐食性を有する材料からなる。防錆プレート４０の表面には、メタルセパレータ１８ａ基材よりも貴なる金属材料による表面処理が施されている。第１実施形態では、防錆プレート４０の表面に使用される貴なる金属材料として金（Ａｕ）が用いられる。なお、上記のように防錆プレート４０の表面に金（Ａｕ）メッキによる表面処理が施されている他、防錆プレート４０そのものがメタルセパレータ１８ａ基材よりも貴なる金属材料により構成されていても良い。なお、防錆プレート４０の材料としてはチタン（又はチタンを含む材料）が用いられる。

【0032】

防錆プレート４０について更に説明する。防錆プレート４０は、セル積層体１０内を流れる冷媒に接するように設けられている。防錆プレート４０は、冷媒流路２６を流れる冷媒と冷媒マニホールド２９を流れる冷媒の少なくとも一方に接するように設けられている。防錆プレート４０は、メタルセパレータ１８ａと導通している。防錆プレート４０は、セル積層体１０のうち少なくとも高電位側（＋側）の個所（正極ターミナル２０ａ、正極ターミナル２０ａ側の末端にあるメタルセパレータ１８ａ等）と導通するよう設けられている。

【0033】

上述したように第１実施形態では、防錆プレート４０の素材としてチタン（又はチタンを含む素材）を用い、防錆プレート４０の表面には金（Ａｕ）メッキによる表面処理が施されている。この防錆プレート４０が正極ターミナル２０ａと末端のメタルセパレータ１８ａとの間に設けられているので、高電位側（＋側）において、防錆プレート４０に流れる腐食電流を抑えることができる（図３参照）。また図４に明らかなように、防錆プレート４０を設けない燃料電池スタック（図４の防錆プレート無）と比較して、防錆プレート４０を設けた燃料電池スタック１（図４の防錆プレート有、金メッキ）は、腐食電流量を大幅に減少できることが確認された。このように防錆プレート４０を配置することで、防錆プレート４０の腐食の進行を抑制することができ、ひいてはメタルセパレータ１８ａの腐食を抑制することができる。その結果、部材の腐食によるリーク等の不具合が生じることを抑えることができる。

【0034】

（第２、３、４実施形態）
続いて、本発明の第２、３、４実施形態における燃料電池用防錆プレートを備える燃料電池スタックの構成について説明する。第２、３、４実施形態は第１実施形態と比較して、防錆プレート４０の表面処理に使用する材料が異なるもので、それ以外の構成及び機能は第１実施形態と同じである。つまり、第２、３、４実施形態における燃料電池スタックの構成は、図１を参照しながら説明した第１実施形態における燃料電池スタック１の構成と同じである。

【0035】

第２実施形態における防錆プレート４０の表面には、酸化イリジウム（ＩｒＯ₂）材料を使用した表面処理が施されている。第３実施形態における防錆プレート４０の表面には、酸化パラジウム材料を使用した表面処理が施されている。第４実施形態における防錆プレート４０の表面には、酸化ルテニウム材料を使用した表面処理が施されている。なお、第２、３、４実施形態における防錆プレート４０の材料としては、第１実施形態と同様にチタン（又はチタンを含む材料）が用いられる。

【0036】

このように第２実施形態では、防錆プレート４０の表面には酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）材料を使用した表面処理が施されている。これにより、腐食電流量をより一層抑えることができる（図４参照）。その結果、防錆プレート４０の腐食の進行をより一層抑制でき、メタルセパレータ１８ａの腐食をより一層抑制することができる。第３、４実施形態における防錆プレート４０を設けた燃料電池スタックについても、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、防錆プレート４０の表面処理に使用される貴なる材料としては、防錆プレート４０の腐食の進行を抑える機能を有するものであれば、上述した材料以外の材料を適宜選択可能であり、また、上述した金、酸化イリジウム、酸化パラジウム、酸化ルテニウム等のうち少なくともいずれか１つの材料を含むようにすることも可能である。

【0037】

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0038】

１：燃料電池スタック
９：セル（単セル）
１０：セル積層体
１１：電解質膜
１８：セパレータ
１８ａ：メタルセパレータ
１８ｂ：樹脂フレーム
１９：セルモジュール
２０；ターミナル
２０ａ：正極ターミナル
２０ｂ：負極ターミナル
２６：冷媒流路
２９：冷媒マニホールド
３０：燃料ガスマニホールド
３１：酸化ガスマニホールド
４０：防錆プレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】