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技術 燃料電池スタック

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 井田兼仁赤川亮
出願日 2018年9月18日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-173377
公開日 2020年3月26日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-047409
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード マニホールド開口 冷却液用 防錆材 冷却液中 腐食電流 腐食量 防食電流 締結ボルト
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月26日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

解決手段

燃料電池スタックは、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、セル積層体の一の側に配置され、燃料電池スタックの正極としての第1の集電板と、セル積層体の他の側に配置され、燃料電池スタックの負極としての第2の集電板と、第1の集電板とセル積層体との間に配置され、セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備える。防錆材は、第1の集電板とセル積層体との間に配置された本体部と、セル積層体において冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に第2の集電板に向けて突出する突出部とを有する。

概要

背景

燃料電池において、外部電源から高電位部材を介して単セルセパレータ電流を流すことによって、セパレータの電食を抑制する技術が開示されている(例えば特許文献1)。

概要

燃料電池スタックの単セルのセパレータの電食を抑制する。燃料電池スタックは、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、セル積層体の一の側に配置され、燃料電池スタックの正極としての第1の集電板と、セル積層体の他の側に配置され、燃料電池スタックの負極としての第2の集電板と、第1の集電板とセル積層体との間に配置され、セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備える。防錆材は、第1の集電板とセル積層体との間に配置された本体部と、セル積層体において冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に第2の集電板に向けて突出する突出部とを有する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

燃料電池スタックであって、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一の側に配置され、前記燃料電池スタックの正極としての第1の集電板と、前記セル積層体の他の側に配置され、前記燃料電池スタックの負極としての第2の集電板と、前記第1の集電板と前記セル積層体との間に配置され、前記セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備え、前記防錆材は、前記第1の集電板と前記セル積層体との間に配置された本体部と、前記セル積層体において前記冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に前記第2の集電板に向けて突出する突出部とを有する、燃料電池スタック。

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

燃料電池において、外部電源から高電位部材を介して単セルセパレータ電流を流すことによって、セパレータの電食を抑制する技術が開示されている(例えば特許文献1)。

先行技術

0003

特開2008−016216号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、従来技術では、電流を流すための外部電源を設ける必要があるので、部品点数が増加してしまい、燃料電池の製造が煩雑になる虞がある。

課題を解決するための手段

0005

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

0006

(1)本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一の側に配置され、前記燃料電池スタックの正極としての第1の集電板と、前記セル積層体の他の側に配置され、前記燃料電池スタックの負極としての第2の集電板と、前記第1の集電板と前記セル積層体との間に配置され、前記セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備える。前記防錆材は、前記第1の集電板と前記セル積層体との間に配置された本体部と、前記セル積層体において前記冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に前記第2の集電板に向けて突出する突出部とを有する。
この形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックは、防錆材を備えるので、外部電源を設けることなく、単セルのセパレータの電食を抑制することができ、燃料電池スタックの製造を簡易化できる。加えて、防錆材の突出部は、本体部と一体に形成されているので、突出部を他の部材に設けることなく、燃料電池スタックの製造を更に簡易化できる。また、防錆材の突出部は本体部より単セルに近いので、突出部によって腐食電流を抑制でき、単セルのセパレータの電食を更に抑制することができる。

0007

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。

図面の簡単な説明

0008

第1実施形態における燃料電池スタック100の側面図。
腐食電流と燃料電池スタックの正極側−負極側との関係を例示する図。
燃料電池スタックの上面透視図。
腐食電流と防錆材から発電セルまでの距離との関係を例示する図。
第2実施形態における燃料電池スタックの上面透視図。

実施例

0009

・第1実施形態:
図1は、第1実施形態における燃料電池スタック100の側面図と単セル140の斜視分解図である。燃料電池スタック100は、固体高分子形の燃料電池スタックである。燃料電池スタック100は、燃料ガス酸化ガスの供給を受けて電気化学反応によって発電する。

0010

燃料電池スタック100は、積層された複数の単セル140と、4つの非発電セル145と、防錆材131と、2つの集電板121,122と、2つのエンドプレート111,112とを有する。これらの部材は、第1のエンドプレート111、第1の集電板121、防錆材131、2枚の非発電セル145、複数の単セル140、2枚の非発電セル145、第2の集電板122、第2のエンドプレート112の順に積層されている。積層された複数の単セル140は、セル積層体140sである。

0011

単セル140は、膜電極接合体ガス拡散層とによって構成された膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane−Electrode Gass−diffusion−layer Assembly)32とMEGA32の周囲に接合されたフレーム部材31とを有するMEGAプレート30と、MEGAプレート30の一の面と他の面のそれぞれに配置されたセパレータ40,50と、を備える。MEGA32は、電解質膜(図示せず)と、カソード電極(図示せず)と、アノード電極(図示せず)と、2枚のガス拡散層(図示せず)とを有する。電解質膜の両面には、それぞれカソード電極とアノード電極が配置され、さらにその両面には、それぞれ1枚のガス拡散層が配置されている。フレーム部材31は、例えば熱可塑性樹脂ゴム等によって形成されている。セパレータ40,50は、金属製であり、例えばプレス成形したステンレス鋼チタン等によって形成されている。

0012

セパレータ40,50のそれぞれの一端縁部には、燃料ガスマニホールド開口62と、冷却液マニホールド開口(冷却液用の開口)84と、酸化ガスマニホールド開口72とが並んで形成されている。上記一端縁部の対辺である他端縁部には、酸化ガスマニホールド開口74と、冷却液マニホールド開口(冷却液用の開口)82と、燃料ガスマニホールド開口64とが並んで形成されている。MEGAプレート30のフレーム部材31には、セパレータ40,50の燃料ガスマニホールド開口62と対応する開口部62pが設けられ、冷却液マニホールド開口84と対応する開口部84p、酸化ガスマニホールド開口72と対応する開口部72p、酸化ガスマニホールド開口74と対応する開口部74p、冷却液マニホールド開口82と対応する開口部82p、燃料ガスマニホールド開口64と対応する開口部64pが設けられている。複数の単セル140が積層されると、これらのマニホールド開口62,64,72,74,82,84によって燃料ガスマニホールド(図示せず)と酸化ガスマニホールド(図示せず)と冷却液マニホールド(図示せず)が形成される。これらのマニホールドのそれぞれには燃料ガスと酸化ガスと冷却液が流れる。各単セル140は、燃料ガスマニホールド及び酸化ガスマニホールドに流れる燃料ガスと酸化ガスを利用して発電する。

0013

非発電セル145は、膜電極接合体を有せず、他の構成は単セル140と同様である。すなわち、非発電セル145のフレーム部材31には、ガス拡散層が配置されている。非発電セル145は、膜電極接合体を有しないため、発電を行わない。非発電セル145は、例えば寒冷地での始動等の氷点下始動時に複数の単セル140の昇温を促進する。また、非発電セル145は、ガスラインで発生した結露水が複数の単セル140に流入することを抑制するように設けられている。非発電セル145は、省略されてもよい。なお、膜電極接合体を有し発電に利用さる複数の単セル140は、「発電セル140」と呼ぶ場合もある。

0014

防錆材131は、第1の集電板121とセル積層体140sとの間に配置されている。防錆材131は、発電セル140のセパレータ40,50よりも活性が高い金属によって形成されている。「セパレータ40,50よりも活性が高い金属」とは、冷却液中でセパレータ40,50よりも電子を失い易い金属、又は、セパレータ40,50よりも冷却液中の水を電気分解させ易い金属のことである。防錆材131は、自分自身が電子を失うことで、又は、水に電子を失わせることで、防食電流を生じさせることによってセパレータ40,50の電食を抑制する。防錆材131がセパレータ40,50よりも電子を失い易い金属によって形成される場合には、例えば、セパレータ40,50がステンレス鋼で形成されている場合、防錆材131は亜鉛によって形成されてもよいし、セパレータ40,50がチタンで形成されている場合、防錆材131はアルミニウムによって形成されてもよい。一方、防錆材131がセパレータ40,50よりも水を電気分解させ易い金属によって形成される場合には、例えば金や白金等の貴金属によって形成されてもよい。この場合は、防錆材131自体が電子を失わず電食されないため、耐久性に優れるので、防錆材131がセパレータ40,50よりも水を電気分解させ易い金属によって形成されることが好ましい。

0015

集電板121,122は、燃料電池スタック100の発電によって生じた電子を集約する金属板である。第1の集電板121は、セル積層体140sの一の側に配置され、燃料電池スタック100の全体としての正極を形成する。第2の集電板122は、セル積層体140sの他の側に配置され、燃料電池スタック100の全体としての負極を形成する。なお、燃料電池スタック100の第1の集電板121側を正極側と呼び、第2の集電板122側を負極側と呼ぶ場合がある。

0016

エンドプレート111,112は、板状の形状を有する。エンドプレート111,112は、エンドプレート111,112に設けられた締結ボルト(図示せず)によって、セル積層体140sの中心に向かって各集電板121,122に押圧力を加えて、燃料電池スタック100全体を締結している。

0017

図2は、腐食電流と燃料電池スタック100の正極側−負極側との関係を例示する図である。腐食電流とは、単セル140のセパレータ40,50が電子を失って生じる電流のことである。複数の単セル140が積層することによって形成された冷却液マニホールドには、冷却液が流れるので、各セパレータ40,50の冷却液マニホールド開口82,84(図1)の周囲では、例えばセパレータ40,50がステンレス鋼で形成されている場合、鉄イオン溶出して腐食電流を形成する可能性がある。腐食電流は、腐食発生量正比例する。図2から分かるように、腐食は正極側で発生しやすいと考えられる。

0018

図3は、燃料電池スタック100の上面透視図であり、冷却液マニホールド82m付近の図である。冷却液マニホールド82mは、複数の単セル140が積層することにより、複数の冷却液マニホールド開口82(図1)によって形成される。冷却液マニホールド82mには、冷却液が流れている。図示の便宜上、冷却液を点状のハッチングで示している。なお、図示の便宜上、複数の単セル140の二つのセパレータ40,50でMEGA32を挟む構成や、非発電セル145の二つのセパレータ40,50でガス拡散層を挟む構成を簡略化している。発電セル140と非発電セル145の断面は冷却液マニホールド82mに近付くと狭くなる。なお、複数の単セル140の積層方向は矢印AW1の方向である。

0019

防錆材131は、板状の本体部91と、突出部90とを有する。本体部91は、第1の集電板121とセル積層体140sとの間に配置されている。本体部91は、非発電セル145を介して複数の単セル140と電気的に接続されている。突出部90は、本体部91と一体に形成され、冷却液マニホールド82mの内部に第2の集電板122に向けて突出している。この例では、冷却液中で防錆材131自身が電子を失う。この結果、防錆材131の突出部90から単セル140に向けて第1の防食電流I1が発生し、防錆材131の本体部91から単セル140に向けて第2の防食電流I2が発生する。第1の防食電流I1は、冷却液を介して単セル140に流れるので、冷却液の抵抗に影響される。第2の防食電流I2は、冷却液及び非発電セル145を介して単セル140に流れるので、冷却液の抵抗及び非発電セル145の抵抗に影響される。防食電流I1,I2が大きいほど、腐食電流が小さくなり、単セル140のセパレータ40,50の腐食量が少なくなる。

0020

図4は、腐食電流と防錆材131から発電セル140までの距離との関係を例示する図である。図4から分かるように、防錆材131から発電セル140までの距離が近いほど腐食電流が小さくなる。これは、防錆材131から発電セル140までの距離が近いと、冷却液等の抵抗が防食電流I1,I2に与える影響が小さくなり、防食電流I1,I2が大きくなるからである。図3の例では、防錆材131の突出部90から発電セル140までの距離L1が、本体部91から発電セル140までの距離L2より小さいので、第1の防食電流I1は、第2の防食電流I2よりも大きく、防食効果が高い。

0021

以上説明したように、第1実施形態では、燃料電池スタック100は、防錆材131を備えるので、外部電源を設けることなく、単セル140のセパレータ40,50の電食を抑制することができ、燃料電池スタック100の製造を簡易化できる。加えて、防錆材131の突出部90は、本体部91と一体に形成されているので、突出部90を他の部材に設けることなく、燃料電池スタック100の製造を更に簡易化できる。また、防錆材131の突出部90は本体部91より単セル140に近いので、突出部90によって腐食電流を抑制でき、単セル140のセパレータ40,50の電食を更に抑制することができる。

0022

・第2実施形態:
図5は、第2実施形態における燃料電池スタック100aの上面透視図であり、図3に対応する図である。図5において、図3に示す第1実施形態との違いは、防錆材131aの突出部90aの形状であり、他の構成は第1実施形態と同様である。

0023

図5では、防錆材131aの突出部90aは、単セル140に向けて延伸した凸部901,902を有する。凸部901,902によって、防錆材131aから単セル140までの距離が第1実施形態と比べて短縮される。図5の例では、凸部901から単セル140までの距離L1aは、図3に示す突出部90から単セル140までの距離L1よりも小さい。こうすれば、第1の防食電流I1aが冷却液の抵抗に影響されることが抑制され、第1の防食電流I1aが図3に示す第1の防食電流I1よりも大きくなり、単セル140のセパレータ40,50の電食を更に抑制することができる。なお、第2実施形態においても、燃料電池スタック100aは、防錆材131aを備えるので、外部電源を設けることなく、単セル140のセパレータ40,50の電食を抑制することができ、燃料電池スタック100aの製造を簡易化できる。

0024

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

0025

30…MEGAプレート、31…フレーム部材、32…膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)、40,50…セパレータ、62…燃料ガスマニホールド開口、64…燃料ガスマニホールド開口、72…酸化ガスマニホールド開口、74…酸化ガスマニホールド開口、82…冷却液マニホールド開口、82m…冷却液マニホールド、84…冷却液マニホールド開口、62p,64p,72p,74p,82p,84p…開口部、90…突出部、90a…突出部、91…本体部、100…燃料電池スタック、100a…燃料電池スタック、111,112…エンドプレート、121,122…集電板、131…防錆材、131a…防錆材、140…単セル(発電セル)、140s…セル積層体、145…非発電セル、901,902…凸部

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